Классификация звуковых волн по направлению колебаний частиц

Министерство образования и науки, молодежи и спорта Украины

Министерство культуры и туризма Украины

Луганский государственный институт культуры и искусств

Ю.Я.Дерский

ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОАКУСТИКИ

Учебное пособие

для студентов высших учебных заведений

Культуры и искусств

Луганск

Рецензенты:

Дерский Ю.Я.

Основы электроакустики: учебн. пособ. для студ. высш. учебн. завед. культуры и искусств/ Ю.Я. Дерский; Луган.гос.ин-т культуры и искусств.-Луганск ЛГИКИИ, 2011.-…….с.

Учебник «Основы электроакустики» адаптирован для специальности «Звукорежиссура» в ВУЗах не технического направления обучения. Его появление обусловлено спецификой контингента, поступающего на творческие специальности, связанные с вопросами звукозаписи, режиссуры и звукорежиссуры, а также ведущие радио- и телевизионных программ. В книге собраны общие понятия процессов, возникающих в процессе формирования и передачи звука в звуковых трактах, звуковом поле, замкнутом пространстве. Рассмотрены примеры различных видов акустических систем, микрофонов. Даны рекомендации по их использованию. Примеры и принципы строительства разного типа студий вещания. Рассмотрены некоторые современные методы измерения звука.

Рекомендовано к печати Ученым советом

Луганского государственного института культуры и искусств (протокол № от 2011)

Введение

Электроакустика- изучает технические средства перевода звуковых колебаний в электрический сигнал и обратного перевода электрического сигнала в максимально похожие звуковые колебания. Основные области применения электроакустики это:

1) звукоусиление;

2) передача звука на большие расстояния (радиовещание, составляющая телевизионного вещания);

3) запись звука с целью хранения и последующего воспроизведения.

Исходя из определения электроакустики, курс делится на два больших раздела.

1. Изучение объекта воспроизведения (первоначальных звуков) и условий его похожего воспроизведения (специфика распространения звука и особенностей слуха человека).
2. Методы перевода звукового поля в электрическую форму и возбуждения похожего звукового поля в другом помещении.

Дадим несколько определений.

Звук. Слово "звук" определяет два понятия: первое - звук как физическое явление; второе - звук как ощущение.

В результате вибрации (колебания) какого-либо упругого тела, например струны, возникает волнообразное распространение колебаний воздушной среды. Источником звука является колеблющееся тело. Оно приводит в колебательное движение прилегающие к нему частицы упругой среды (как правило, воздуха), которые заставляют колебаться соседние частицы и т.д. Процесс распространения колебаний частиц упругой среды называют звуковой волной.

Звуковые волны улавливаются слуховым органом и вызывают в нем раздражение, которое передается по нервным волокнам в головной мозг, возбуждая ощущение звука.

Звуковое поле - одна из форм существования материи, проявляется в виде кинетической энергии колеблющихся материальных тел, а также звуковых волн в твердой, жидкой и газообразной средах, обладающих упругой структурой.

Первичное помещение - помещение, в котором источниками звука создается звуковое поле (называемое первичным), подлежащее копированию при воспроизведении электроакустическими устройствами.

Помещение прослушивания - помещение, в котором прослушивается создаваемое электроакустическими преобразователями звуковое поле.

Тракт-путь, который проходит звук от источника до потребителя.

В трактах радиотелефонной связи, вещания, звукового сопровождения телевидения, звукозаписи и воспроизве­дения, звукоусиления, массового радиообслуживания, диспетчерской связи) и т. д. начальные и конечные звенья тракта — акустические. Тракт начинается от ис­точника звуковых колебаний (голос человека, музы­кальные инструменты, различного рода источники шу­мов), затем идет звено тракта в виде воздушной сре­ды помещения или открытого пространства. Началь­ная акустическая часть тракта заканчивается преобра­зователем акустических колебаний в электрические (микрофон). После него идут различные электрические (системы, а за ними, до уха слушателя — снова акусти­ческие звенья тракта: электроакустический преобразо­ватель (громкоговоритель или телефон), помещение или открытое пространство в случае громкоговорящего приема, объем между телефоном и ушной раковиной при приеме на телефон. Каждое из акустических звень­ев тракта обладает соответствующими свойствами, ко­торые надо знать, чтобы уметь правильно пользоваться ими.

Акустические звенья тракта зачастую бывают опре­деляющими в отношении качества вещания и играют значительную роль в обеспечении качества речевой связи.

Глава 1. ЗВУКОВОЕ ПОЛЕ В НЕОГРАНИЧЕННОМ ПРОСТРАНСТВЕ.

1.1. ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Звуковым полем называют пространство, в котором происходит распространение звуковых колебаний. Зву­ковые колебания в жидкой и газообразной средах представляют собой продольные колебания, так как частицы среды колеблются вдоль линии распростране­ния звука. Вследствие этого образуются сгущения 1 и разрежения 2 среды, двигающиеся от источника коле­баний (рис. 1.1) с определенной скоростью, называе­мой скоростью звука. Скорость звука в воздухе при температуре 20° С и нормальном атмосферном давлении приблизительно равна 340 м/с.

Волнаминазываются распространяющиеся в веществе или поле возмущения какой-либо физической величины, характеризующей состояние этого вещества или поля.Волнообразное изменение плотности среды, вызванное зву­ковыми колебаниями, называют звуковой волной.

Упругими волнаминазываются распространяющейся в упругой среде механические возмущение (деформации). Внешние тела, вызывающие эти возмущения в среде, называются источниками волны.

Классификация звуковых волн по направлению колебаний частиц

1) продольные;

2) поперечные.

Продольная звуковая волна - волна, в которой частицы среды колеблются в направлении луча.

Поперечная звуковая волна - волна, в которой частицы колеблются в направлении, перпендикулярном лучу.

Тип волны, распространяющийся в среде, зависит от того, каким образом возбуждается волна и от того, как и каким частицам передает свою энергию текущая частица.

Примеры.

1. В тонком и длинном отрезке вещества может распространяться как продольная, так и поперечная волна, в зависимости от направления возбуждения. Они даже могут распространяться одновременно, и суммарная волна будет иметь промежуточный угол.

2. Граница раздела сред разной плотности. Например, при распространении волны по водной поверхности, волна сжатия немедленно трансформируется в высоту столбика воды, т.е. волна поперечная.

3. Однородная среда.

3.1. При возбуждении пульсирующей сферой существует продольная волна.

3.2. При возбуждении колеблющейся мембраной. В плоскости мембраны существует поперечная волна, перпендикулярно мембране - продольная волна, а в промежуточных углах волна, занимающая промежуточное положение между продольной и поперечной.

В однородной среде, однако, не может существовать поперечная волна в чистом виде, без сопоставимых уровней продольных составляющих на соседних лучах. Кроме того, человеческий слух реагирует главным образом на продольную составляющую звуковой волны.

Надо сказать, что этот момент изучен слабо и доминирует представление, что звуковые волны бывают только продольные. Недоучет необходимости передачи типа волны, возможно, снижает достоверность звучания электроакустических систем.

Направление распространения звуковых волн называют звуковым лучом, а поверхность, соединяющую смежные точки по­ля с одинаковой фазой колебания (например, точки максимального сгущения или разрежения),— фронтом волны. Звуковые лучи пересекают фронт волны под пря­мым углом. В общем случае фронт волны имеет сложную форму, но в большинстве практических случаев можно ограничиться соотношениями, полученными для плоской и сферической форм фронта, а иногда еще и цилиндри­ческой.

Если период колебаний Т, то частота колебаний f = 1/т, а длина звуковой волны, равная расстоянию между соседними фронтами, находящимися в одинако­вой фазе (см. рис. 1.1), λ = cT = c/f, где с — скорость звука.

В системах связи и вещания частоты колебаний ле­жат в пределах от 20—30 до 15 000—20 000 Гц, соот­ветственно длины звуковых волн — от 17—11,3 м до 2,27—1,7 см.

Частоты колебаний подразделяют на низкие, сред­ние и высокие звуковые частоты. К низким относят ча­стоты, лежащие в пределах от 20 до 200—500 Гц, к вы­соким звуковым частотам от 2000—5000 до 20 000 Гц, к средним — промежуточные между высокими и низ­кими. Обычно для краткости прилагательное «звуко­вые» опускают, особенно в тех случаях, когда речь идет только об акустических процессах и трактах (и не рассматриваются вопросы, относящиеся к радиоча­стотам). Частоты, лежащие ниже 20 Гц, называют инфразвуковыми, а выше 20 кГц — ультразвуковыми.

Звуковое поле характеризуют рядом линейных и энергетических величин.

ЛИНЕЙНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ.

Звуковое давление. Положим, что давление среды в отсутствие звуковых колебаний равно Ра.с, это давление называют статическим. При прохождении зву­ковой волны давление в каждой точке среды будет не­прерывно изменяться: в моменты сгущения частиц оно больше статического, а в моменты разрежения — меньше. Разность между мгновенным давлением Pа.м и статическим Pa.с в той же точке среды, т. е. перемен­ная составляющая давления называется звуковым давлением P = Pа.м — Ра.с

Звуковое давление — величина знакопеременная. Давление р — сила, действующая на единицу площа­ди, т. е. p = F/S. Поэтому за единицу давления в систе­ме СИ принимают ньютон на квадратный метр, а в аб­солютной CGS системе единиц — дину на квадратный сантиметр: 1 Н/м2 = 1 Па (паскаль) = 10 дин/см2. В системах связи и вещания имеют дело со звуковыми давлениями, по амплитуде, не превышающими 100 Па, т. е., по крайней мере, в 1000 раз меньше, чем нормаль­ное атмосферное давление.

И Часто звуковое давление называют избыточным давлением среды.

Ранее эту единицу называли «бар».

Скорость колебаний. Если давления неоди­наковы в соседних точках среды, то ее частицы стре­мятся сместиться в сторону минимального давления. При знакопеременной разности давлений возникает ко­лебательное движение частиц среды около своего ста­тического положения. Скорость колебаний этих частиц v = du/dt, где u — смещение частиц. Скорость колеба­ний обычно измеряют в метрах или сантиметрах в се­кунду. Не следует путать эту скорость со скоростью звука. Скорость звука — постоянная величина для данной среды и метеорологических условий, а скорость колебаний — переменная, причем если частица среды перемещается по направлению распространения волны, то скорость считают по­ложительной, а при об­ратном перемещении частицы — отрицатель­ной.

Определим связь между звуковым давле­нием и скоростью коле­баний. Возьмем эле­ментарный объем, за­ключенный между фронтами волн, нахо­дящимися на расстоя­нии Drдруг от друга, с боковыми поверхно­стями, расположенны­ми вдоль звуковых лучей (рис. 1.2). Как видно из рисун­ка, среда в этом объеме находится под действием разно­сти давлений р и р+Δр,следовательно, испытываемая ею сила

где ΔAS — площадь, выделенная на поверхности фронта волны. С другой стороны, по второму закону Ньютона сила инерции

где Δm—масса среды, заключенной в этом объеме; ρο — средняя плотность среды.