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.

Для количественного описания этих процессов вводятся следующие коэффициенты:

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

Общая сумма коэффициентов равна единице: ß + а + у = 1. Каждый из них меньше единицы, поскольку отраженная, поглощенная и прошедшая волна имеют меньшую интенсивность, чем волна падающая.

Коэффициенты ß, 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 дается обычно в справочниках для различных материалов: например, на частоте 500 Гц коэффициент поглощения дерева 0,1, мрамора — 0,01, ковра — 0,23 и др. Следует заметить, что 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), поэтому в таблицах приводится обычно значение, усредненное для различных углов падения.

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 ленной 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» (метод «мнимых источников» используется при расчетах структуры звукового поля в архитектурной акустике).

Рефракция (преломление) — это изменение направления распространения звуковой волны при переходе из одной среды в другую. Как уже было отмечено выше, звуковая волна, падая на границу раздела двух сред, частично отражается от нее, частично проходит в другую среду. Если эта среда имеет другие физические свойства, значительно отличающиеся от свойств первой (плотность, температуру и др.), то скорость звука в ней меняется, и звуковая волна вследствие этого меняет направление своего распространения (рис. 2.3.9а). Эффект рефракции имеет место и тогда, когда звуковая волна распространяется в одной среде (например, в атмосфере), физические свойства которой постепенно меняются. Примером может служить звуковая волна, распространяющаяся над поверхностью воды: поскольку воздух над водой имеет более низкую температуру, чем в более высоких слоях, скорость звуковой волны, в более холодных слоях становится меньше, и направление распространения волны изменяется вниз (рис. 2.3.96) (звуковые лучи изгибаются в сторону той среды, где скорость звука меньше).

Соотношение изменения углов распространения звуковой волны (а, и а, ) и ее скоростей (С_; и С,) выражается следующей формулой:

Явление рефракции может приводить к различным звуковым эффектам (звуковым миражам, т. е. слышимости на больших расстояниях над морем, пустыней и др.).