Отражение и поглощение звука кратко

Обновлено: 05.07.2024

JLIB_APPLICATION_ERROR_COMPONENT_NOT_LOADING
Error loading component: com_content, 1
Error loading component: com_content, 1
Error loading component: com_content, 1
Error loading component: com_content, 1
Error loading component: com_content, 1
Error loading component: com_content, 1
Error loading component: com_content, 1
Error loading component: com_content, 1
Error loading component: com_content, 1
Error loading component: com_content, 1
Error loading component: com_content, 1
Error loading component: com_content, 1
Error loading component: com_content, 1
Error loading component: com_content, 1
Error loading component: com_content, 1
Error loading component: com_content, 1
Error loading component: com_content, 1
Error loading component: com_content, 1
Error loading component: com_content, 1
Error loading component: com_content, 1
Error loading component: com_content, 1
Error loading component: com_content, 1
Error loading component: com_content, 1
Error loading component: com_content, 1
Error loading component: com_content, 1
Error loading component: com_content, 1
Error loading component: com_content, 1
Error loading component: com_content, 1
Error loading component: com_content, 1
Error loading component: com_content, 1
Error loading component: com_content, 1

Если звуковая волна не встречает препятствий на своём пути, она распространяется равномерно по всем направлениям. Но и не всякое препятствие становится преградой для неё.

Встретив препятствие на своём пути, звук может огибать его, отражаться, преломляться или поглощаться.

Дифракция звука

Мы можем разговаривать с человеком, стоящим за углом здания, за деревом или за забором, хотя и не видим его. Мы слышим его, потому что звук способен огибать эти предметы и приникать в область, находящуюся за ними.

Способность волны огибать препятствие называется дифракцией.

Дифракция возможна, когда длина звуковой волны превышает размер препятствия. Звуковые волны низкой частоты имеют довольно большую длину. Например, при частоте 100 Гц она равна 3,37 м. С уменьшением частоты длина становится ещё больше. Поэтому звуковая волна с лёгкостью огибает объекты, соизмеримые с ней. Деревья в парке совершенно не мешают нам слышать звук, потому что диаметры их стволов значительно меньше длины звуковой волны.

Благодаря дифракции, звуковые волны проникают через щели и отверстия в препятствии и распространяются за ними.

Расположим на пути звуковой волны плоский экран с отверстием.

В случае, когда длина звуковой волны ƛ намного превышает диаметр отверстия D, или эти величины примерно равны, то позади отверстия звук достигнет всех точек области, которая находится за экраном (область звуковой тени). Фронт выходящей волны будет выглядеть как полусфера.

Если же ƛ лишь немного меньше диаметра щели, то основная часть волны распространяется прямо, а небольшая часть незначительно расходится в стороны. А в случае, когда ƛ намного меньше D , вся волна пойдёт в прямом направлении.

Отражение звука

В случае попадания звуковой волны на границу раздела двух сред, возможны разные варианты её дальнейшего распространения. Звук может отразиться от поверхности раздела, может перейти в другую среду без изменения направления, а может преломиться, то есть перейти, изменив своё направление.

Предположим, на пути звуковой волны появилось препятствие, размер которого намного больше длины волны, например, отвесная скала. Как поведёт себя звук? Так как обогнуть это препятствие он не может, то он отразится от него. За препятствием находится зона акустической тени.

Отражённый от препятствия звук называется эхом.

Характер отражения звуковой волны может быть разным. Он зависит от формы отражающей поверхности.

Отражением называют изменение направления звуковой волны на границе раздела двух разных сред. При отражении волна возвращается в среду, из которой она пришла.

Если поверхность плоская, звук отражается от неё подобно тому, как отражается луч света в зеркале.

Отражённые от вогнутой поверхности звуковые лучи фокусируются в одной точке.

Выпуклая поверхность звук рассеивает.

Эффект рассеивания дают выпуклые колонны, крупные лепные украшения, люстры и т.д.

Звук не переходит из одной среды в другую, а отражается от неё, если плотности сред значительно отличаются. Так, звук, появившийся в воде, не переходит в воздух. Отражаясь от границы раздела, он остаётся в воде. Человек, стоящий на берегу реки, не услышит этот звук. Это объясняется большой разницей волновых сопротивлений воды и воздуха. В акустике волновое сопротивление равно произведению плотности среды на скорость звука в ней. Так как волновое сопротивление газов значительно меньше волновых сопротивлений жидкостей и твёрдых тел, то попадая на границу воздуха и воды, звуковая волна отражается.

Рыбы в воде не слышат звук, появляющийся над поверхностью воды, но хорошо различают звук, источником которого является тело, вибрирующее в воде.

Преломление звука

Изменение направления распространения звука называется преломлением. Это явление возникает, когда звук переходит из одной среды в другую, и скорости его распространения в этих средах различны.

Отношение синуса угла падения к синусу угла отражения равно отношению скоростей распространения звука в средах.

где i – угол падения,

r – угол отражения,

v ₁ – скорость распространения звука в первой среде,

v ₂ – скорость распространения звука во второй среде,

n – показатель преломления.

Преломление звука называют рефракцией.

Если звуковая волна падает не перпендикулярно поверхности, а под углом, отличным от 90 о , то преломлённая волна отклонится от направления падающей волны.

Рефракция звука может наблюдаться не только на границе раздела сред. Звуковые волны могут менять своё направление в неоднородной среде – атмосфере, океане.

В атмосфере причиной рефракции служат изменения температуры воздуха, скорость и направление перемещения воздушных масс. А в океане она появляется из-за неоднородности свойств воды – разного гидростатического давления на разных глубинах, разной температуры и разной солёности.

Поглощение звука

При встрече звуковой волны с поверхностью, часть её энергии поглощается. А какое количество энергии может поглотить среда, можно определить, зная коэффициент поглощения звука. Этот коэффициент показывает, какую часть энергии звуковых колебаний поглощает 1 м 2 препятствия. Он имеет значение от 0 до 1.

Единицу измерения звукопоглощения называют сэбин. Своё название она получила по имени американского физика Уоллеса Клемента Сэбина, основателя архитектурной акустики. 1 сэбин – это энергия, которую поглощает 1 м 2 поверхности, коэффициент поглощения которой равен 1. То есть, такая поверхность должна поглощать абсолютно всю энергию звуковой волны.

Реверберация

Свойство материалов поглощать звук широко используют в архитектуре. Занимаясь исследованием акустики Лекционного зала, части построенного Fogg Museum, Уоллес Клемент Сэбин пришёл к выводу, что существует зависимость между размерами зала, акустическими условиями, типом и площадью звукопоглощающих материалов и временем реверберации.

Реверберацией называют процесс отражения звуковой волны от препятствий и её постепенное затухание после выключения источника звука. В закрытом помещении звук может многократно отражаться от стен и предметов. В результате возникают различные эхосигналы, каждый из которых звучит как бы обособленно. Этот эффект называют эффектом реверберации.

Самой важной характеристикой помещения является время реверберации, которое ввёл и вычислил Сэбин.

где V – объём помещения,

А – общее звукопоглощение.

где a_i – коэффициент звукопоглощения материала,

S_i - площадь каждой поверхности.

Если время реверберации велико, звуки словно "бродят" по залу. Они накладываются друг на друга, заглушают основной источник звука, и зал становится гулким. При маленьком времени реверберации стены быстро поглощают звуки, и они становятся глухими. Поэтому для каждого помещения должен быть свой точный расчёт.

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

Зарегистрироваться 15–17 марта 2022 г.

Описание презентации по отдельным слайдам:

Звуковые волны. Отражение и поглощение звуковых волн. Эффект Доплера в акустике.
ЕН Физика. Подготовила преподаватель физики и математики ГАПОУ ПК №8 Иргалиева Алина Николаевна.

Звук - продольная механическая волна с частотой от 20 до 20 000 Гц, распространяющаяся в среде.
Источниками звука являются тела, колеблющиеся в среде с определенной частотой.

Виды звука
Кроме собственно слышимого звука выделяют диапазоны инфразвука (диапазон частот 20 000 Гц).

Звуковые волны распространяются с конечной скоростью, зависящей от свойств среды. Поскольку звук - это продольная волна, для ее распространения необходимо, чтобы в среде возникала сила упругости при сжатии. Этим свойством обладают все среды: твердая, жидкая и газообразная. Но воздействие быстрее передается в более плотной среде, поскольку частицы в такой среде расположены ближе.

Скорость звука
Скорость звука в твердых телах зависит от упругости и плотности среды, так как звук - это волны плотности или давления. Скорость звука в твердой среде определяется по формуле:

Е - модуль Юнга, Па
ρ - плотность, кг/м3.

Характеристики звука
Громкость - величина звукового давления, зависит от амплитуды волны. За единицу громкости звука принят 1 Бел (в честь Александра Грэхема Белла, изобретателя телефона). Громкость звука равна 1 Б, если его мощность в 10 раз больше порога слышимости.

Децибел, дБХарактеристика Источники звука
0 Ничего не слышно
5 Почти не слышно
10 Почти не слышно тихий шелест листьев
25 Тихо шепот человека (1 м)
65 Шумно громкий разговор (1 м)
80 Очень шумно крик, мотоцикл с глушителем.
Крайне шумно оркестр, вагон метро
раскаты грома
максимальное допустимое
звуковое давление
130 Болевой порог самолёт на старте
150 Контузия, травмы
Шок, травмы ударная волна от сверхзвукового
самолета
Больше 200 — смерть ( шумовое оружие)
При уровнях звука свыше 160 децибел — возможен разрыв барабанных перепонок и лёгких,

Высота тона зависит от частоты. Чем больше частота, тем выше тон. У разных животных различные диапазоны воспринимаемых частот.

Частота звуковой волны определяет высоту тона. Чем больше частота колебаний источника звука, тем выше издаваемый им звук. Человеческие голоса по высоте делят на несколько диапазонов.

Звуки от разных источников представляет собой совокупность гармонических колебаний разных частот. Составляющая наибольшего периода (наименьшей частоты) называется основным тоном. Остальные составляющие звука - обертонами. Набор этих составляющих создает окраску, тембр звука. Совокупность обертонов в голосах разных людей хоть немного, но отличается, это и определяет тембр конкретного голоса.

Звуковые явления
Отражение звука.
Звук отражается от гладких поверхностей. Поэтому при использовании рупора звуковые волны не рассеиваются во все стороны, а образуют узконаправленный пучок, за счет чего мощность звука увеличивается, и он распространяется на большее расстояние.
Звуковая волна, при ее падении на границу раздела с другой средой, может отразиться от границы раздела, пройти в другую среду, изменить направление движения - преломиться от границы раздела (это явление называют рефракцией), поглотиться или одновременно совершить несколько из перечисленных действий. Степень поглощения и отражения зависит от свойств сред на границе раздела.

Эхо
Эхо образуется в результате отражения звука от различных преград. Эхо возникает только в том случае, когда отраженный звук воспринимается раздельно от первоначально произнесенного звука. Ухо может различать отдельные сигналы, если промежуток времени между ними не немнье 1/15 с. Если отражающих поверхностей много и они находятся на разных расстояниях от человека, то отраженные звуковые волны дойдут до него в разные моменты времени. В этом случае эхо будет многократным.

Интерференция
Интерференция - усиление колебаний звука в одних точках пространства и ослабление колебаний в других точках в результате наложения двух или нескольких звуковых волн. Когда мы слышим звуки разных, но достаточно близких частот сразу от двух источников, к нам приходят то гребни обеих звуковых волн, то гребень одной волны и впадина другой. В результате наложения двух волн, звук то усиливается, то ослабевает.

Эффект Доплера Эффект заключается в том, что длина волны изменяется соответственно изменению скорости движения слушателя относительно источника волны. Чем быстрее слушатель (регистрирующий датчик) приближается к источнику волны, тем регистрируемая им длина волны становится меньше и наоборот.

Эффект Доплера
Если источник волн движется относительно среды, то расстояние между гребнями волн (длина волны) зависит от скорости и направления движения. Если источник движется по направлению к приёмнику, то есть догоняет испускаемую им волну, то длина волны уменьшается. Если удаляется — длина волны увеличивается.

Эффект Доплера
λ — длина волны

ω0 — циклическая частота, с которой источник испускает волны

ω — циклическая частота, регистрируемая приёмником

c — скорость распространения звуковых волн в среде

v — скорость источника волн относительно среды (положительная, если источник приближается к приёмнику и отрицательная, если удаляется)

u — скорость приёмника относительно среды (положительная, если он движется по направлению к источнику).

Сегодня в статье мы рассмотрим как происходит изменение звуковой волны при взаимодействии с отражающей поверхностью. Разберёмся в таких понятиях как рефракция, дифракция, рассеяние.

Отражение звуковых волн

Когда звуковая волна достигает какой-то границы в пределах среды (например, падает на стену помещения или переходит их воздуха в воду и т. п.), происходит отражение звуковой энергии. При этом угол падения волны равен углу отражения, а некоторая часть энергии теряется на поглощение, часть проходит через границу в другую среду.

Величину коэффициента поглощения материалов можно посмотреть в различных справочниках. При этом необходимо понимать, что величина коэффициента поглощения зависит от частоты. С повышением частоты она увеличивается.

Отраженные от стен помещения и других предметов звуковые волны определяют акустику концертных залов, студий и других помещений для прослушивания.

Изменяя соотношения различных коэффициент поглощения, материалов, можно влиять на структуру отраженных волн и влиять на качество звучания музыки и речи в помещении.

Также отражение волн зависит и от формы отражающей поверхности. Если, например, она в виде вогнутой, выпуклой чаши, то можно концентрировать или наоборот, рассеивать звук в определенной точке или направлении.

РЕФРАКЦИЯ (ПРЕЛОМЛЕНИЕ)

Изменение направления распространения волны при переходе из одной среды в другую называют рефракция.

Выше мы уже говорили, что часть звуковой волны отражается, часть энергии теряется на поглощение, а часть проходит через границу в другую среду. Если эта среда (в которую проходит волна) имеет другие физические свойства, например, температуру, плотность и др., то скорость звука в ней меняется, а звуковая волна из-за этого меняет направление своего распространения.

Рефракция происходит и при распространении в одной и той же среде (к примеру, в атмосфере). Ведь физические свойства её тоже постепенно меняются. Возьмём звуковую волну, распространяющуюся над поверхностью воды. Воздух над водой имеет более низкую температуру, чем в более высоких слоях. Поэтому скорость звуковой волны в более холодных слоях становиться меньше, а направление распространения волны изменяется вниз.

ДИФРАКЦИЯ

Звуковые волны могут огибать встретившиеся на их пути препятствия и проникать в область за ними. Вот эта способность к огибанию препятствий и называется дифракцией. Именно поэтому звук можно услышать не только в пределах прямой видимости источника.

Зависит дифракция от соотношения длины волны (частоты) и размера препятствия.

Если длина волны больше размера препятствия, то звуковая волна огибает его и проходит дальше, почти не меняя своей структуры и интенсивности . Это относится и к прохождению через отверстия. Она просто становиться источником сферической волны.

Современная пространственная стереофония учитывает это явление. Ведь разные частоты огибают голову и ушные раковины по-разному. Низкочастотные звуки проходят не меняя интенсивности, среднечастотные и высокочастотные образуют акустическую тень (из-за дифракции). В связи с этим интенсивность звука и тембр меняются в зависимости от расположения источника по отношению к голове, что влияет на его локализацию в пространстве.

РАССЕЯНИЕ

В то время, как часть звуковой волны огибает препятствие, часть отражается от него. Вот это и есть рассеяние звуковой волны.

Процессы дифракции и рассеяния могут сильно искажать структуру звукового поля вокруг микрофона и изменять его чувствительность.

Спасибо, что читаете New Style Sound. Подписывайтесь (RSS-лента) и делитесь статьями с друзьями.

А в следующей части мы поговорим об интерференции звуковых волн, принципе суперпозиции, про стоячие волны, биения, а также про эффект Доплера.

На этом уроке мы с вами познакомимся с явлениями отражения и поглощения звука. Выясним, как образуется эхо и где используется это явление. Узнаем, что такое реверберация. Выясним, как возникает звуковой резонанс. А также узнаем, что такое резонаторы и для чего они служат.

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобретя в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока "Отражение звука. Эхо. Звуковой резонанс"

На прошлом уроке мы с вами затрагивали вопрос о распространении звуковых волн. Давайте вспомним, что звуковые волны — это упругие продольные волны, которые, воздействуя на слуховой аппарат человека, вызывают слуховые ощущения. Для распространения звуковых волн необходимо наличие среды. То есть в вакууме звуковые волны распространяться не могут.

— А что произойдёт, если на пути звуковой волны появится препятствие?

Чтобы ответить на этот вопрос, давайте рассмотрим ситуацию, когда на пути звуковой волны встаёт плоская твёрдая поверхность, например, стена. Так как звуковая волна является продольной волной сжатия и разрежения, то, передаваясь от одного слоя молекул воздуха к другому, сгущение дойдёт до воздушного слоя, прилегающего к поверхности стены. Получив толчок, частицы этого слоя ударятся о стену, оттолкнутся от неё и образуют новую волну сгущения, бегущую в обратном направлении. Этот процесс называют отражением звука.

В большинстве случаев плоские твёрдые поверхности отражают около девяносто пяти процентов звука. Однако какой бы жёсткой ни была стена, стоящая на пути звуковой волны, всё равно часть звука проникает внутрь. Чем массивнее стена, тем меньше она пропускает звук. И наоборот, чем стена тоньше, легче и мягче, тем слабее отражается от неё звук.

Ослабление звуковой волны называют поглощением звука.

Чтобы показать, что звук действительно отражается от преград, проведём такой опыт. Возьмём в качестве источника звука громкоговоритель. Приёмником звука нам будет служить микрофон, соединённый с осциллографом — прибором, позволяющим регистрировать звук. Поставим громкоговоритель и микрофон на расстоянии метра под некоторым углом друг к другу. Включим источник звука — прибор звук не регистрирует.

А теперь на пути звуковой волны поставим экран. При некотором его положении прибор покажет, что звук попадает в микрофон.

Если провести линии, указывающие направление распространения звука от источника к экрану и от экрана к приёмнику, а также восставить перпендикуляр в точку падения звуковой волны, то не трудно заметить, что угол падения равен углу отражения.

Поскольку при взаимодействии звуковой волны со стеной волна отражается, то возникает закономерный вопрос: можем ли мы услышать эту отражённую звуковую волну?

Оказывается, можем, но только в том случае, когда между первоначальным и отражённым звуками проходит не менее 1/15 секунды. Это звуковое явление хорошо знакомо всем, и его называют эхом.

Эхо можно услышать в горах, в больших пустых помещениях и так далее. Однако в обычных жилых помещениях мы эхо не слышим. Давайте посмотрим почему. Итак, предположим, что мы находимся в обычной комнате на расстоянии 3 метров от стены. Звук нашего голоса должен пройти расстояние от нас до стены и обратно, то есть шесть метров. Если принять, что скорость звука равна 340 м/с, то время, которое затратит звуковая волна на преодоление этого расстояния, составит порядка 0,2 секунды. Как видим, интервал между двумя воспринимаемыми звуками значительно меньше того, который необходим, чтобы услышать эхо.

Но то, что мы не слышим эха в обычной комнате, не означает, что мы не слышим отражение звука от её стен. Дело в том, что в закрытых помещениях, кроме звука, создаваемого источником, мы слышим и его многократные отражения. Однако из-за очень малого значения интервала времени между этими отражениями мы не можем их различить как отдельные звуки, а воспринимаем это как увеличение длительности первоначального звука.

Эффект увеличения длительности звука из-за его отражения от различных препятствий называют реверберацией.

Например, в одном из лучших в акустическом плане зале — Колонном зале Дома Союзов в Москве — время реверберации составляет около 1,75 секунды, когда он наполнен публикой, и около 4 секунд в пустом.

Если отражающих поверхностей много, и они находятся на разных расстояниях, то отражённые звуковые волны дойдут до ушей в разное время. В этом случае эхо будет многократным.

Именно многократным эхом и объясняются раскаты грома во время грозы.

На свойствах звука отражаться от гладких поверхностей основано действие рупора, изобретённого в 1670 году Сэмюелем Морландом. Рупор представляет собой расширяющуюся трубу, чаще круглого или прямоугольного сечения. При его использовании, звук распространяется не по всем направлениям, а образует узконаправленный пучок. За счёт этого его мощность усиливается, и он способен преодолеть большее расстояние.

Некоторые представители животного мира способны ориентироваться в пространстве издавая направленные ультразвуковые колебаний и воспринимать их после отражения от препятствий. Это, например, летучие мыши, дельфины, птицы гуахаро, гнездящиеся в глубоких пещерах Венесуэлы, и стрижи-саланганы, живущие в пещерах Юго-Восточной Азии.

Мы уже упоминали, что способ определения местоположения тел по отражённым от них ультразвуковым сигналам называется эхолокацией. Она широко используется в мореплавании для определения косяков рыбы, глубины дна водоёма и его рельефа. Для этих целей на днище судна помещается излучатель и приёмник звука. Излучатель посылает короткие ультразвуковые сигналы. А компьютер, анализируя время задержки и направление отражённых сигналов, распознаёт размер объекта и определяет его положение.

Теперь поговорим ещё об одном интересном звуковом явлении — об акустическом резонансе. Вы уже знаете, что резонанс возникает тогда, когда частота вынуждающей силы совпадает с собственной частотой колебательной системы. В этом случае происходит увеличение до наибольшего значения амплитуды установившихся вынужденных колебаний.

Например, если рукой дёргать шнур в такт его собственным колебаниям, то со временем можно заметить увеличение амплитуды колебаний.

Резонанс может быть вызван и звуковыми колебаниями. Например, если влажный палец двигать по краю бокала, то бокал будет издавать звенящие звуки. Хотя это и незаметно, палец движется прерывисто и передаёт стеклу энергию короткими порциями, заставляя бокал вибрировать.

Проведём ещё один опыт. Возьмём два камертона с одинаковой собственной частотой колебаний и поставим их так, чтобы отверстия ящиков, на которых они укреплены, смотрели друг на друга. Ударим молоточком по одному из камертонов. Он зазвучит. Затем приглушим его, прикоснувшись к нему рукой. Мы услышим звучание другого камертона. Это происходит из-за того, что второй камертон начинает совершать колебания под действием звука, созданного колебаниями первого камертона. Так как частоты собственных колебаний камертонов одинаковы, то возникает резонанс: амплитуда колебаний второго камертона становится достаточно большой, чтобы звучание было слышно.

Если изменить собственную частоту колебаний второго камертона, например, надев на него резиновое колечко, то он не будет отзываться на колебания звучащего камертона, и явления резонанса не произойдёт.

А теперь давайте посмотрим, какую роль играют ящики, на которых устанавливают камертоны. Для этого проделаем такой опыт. Укрепим в лапке штатива камертон, а под ним поставим сосуд с водой.

Поместим в воду широкую стеклянную трубку и заставим вибрировать над её отверстием камертон. Вынимая постепенно трубку из воды, мы будем увеличивать столбик воздуха в ней. При определённой длине столба воздуха мы отчётливо услышим звук. Если же продолжать вынимать трубку, то звук станет ослабевать, пока совсем не перестанет быть слышимым. В этом случае на колебания камертона отзывается воздушный столб в сосуде. Очевидно, что наиболее громкое звучание воздушного столба наступает, когда собственная частота его колебаний совпадает с частотой колебаний камертона. Это и есть условие резонанса. Такой закрытый с одного конца сосуд называют резонатором.

Для камертона резонатором служит деревянный ящик, открытый с одного конца. В музыкальных инструментах — это деки, которые усиливают издаваемые струнами звуки и придают звучанию инструмента характерный тембр.

Читайте также: