Akustika -Milan Simovski - Refleksija i Apsorpcija Na Zvukot

Универзитет за аудиовизуелни уметности ЕСРА – Скопје

Факултет за тонска продукција

Семинарска работа по предметот

“Акустика и тонска техника 1“

Рефлексија и апсорпција на звук

Изработил студент: Милан Симовски

Ментор:

Слободан Таневски

Скопје, 2014 г.

Содржина:

• Вовед

• Звучни бранови во слободно поле

• Рефлексија на звук

• Поимот слободен простор

• Рамнина на диконтинуитет во средината

• Коефициент на апсорпција

• Карактеризирање на апсорпција и рефлексија

• Рефлексија од различни типови на површини

• Рефлексија од Рамна Површина

• Рефлексија од конвексни површини

• Рефлексија од конкавни површини

• Рефлексија од параболични површини

• Апсорпција на звук

• Материјали кои апсорбираат звук и механизам на апсорпција

• Видови апсорбери

• Механизам на апсорпција

• Користена литература

Вовед

Звукот е механички бран што е осцилација на притисок пренесена низ некој медиум (вода

или воздух), составен од фрекфенции што се вклопени во рангот на слушањето. Кога одреден објект

вибрира, истиот креира механичко вознемирување на медиумот кон кој е директно насочен, или кон

неговата непосредна близина. Во таква ситуација медиумот го носи тоа нарушување во форма на

осцилација пропагирајќи п-бран. Звукот е механички бран што резултат на вибрациите на честиците

кои се движат од едно кон друго место во медиумот низ кој минува истиот. Ако звучниот бран се

движи од лево кон десно низ воздух, тогаш честичките на воздухот ја менуваат својата позиција кон

десно и кон лево онака како што енергијата на звукот поминува низ него. Движењето на честиците е

паралелно ( и анти-паралелно) во однос на правецеот на пренесувањето на енергијата. Ова е она што

ги карактеризира звучнте бранови низ воздух како лонгитудинални бранови. Сумирано, звук е низа од

механички собирања и издолжувања на лонгитудинални бранови, што последично минуваат низ

медиум од материјал што е барем малку притислив (цврст предмет, течност или гас, но не и вакуум).

Во звучните бранови делови од материјата (молекули или групи молекули) се движат во правец на

бранот. Акустиката пак, е интердисциплинарна наука што се бави со проучување на односот на сите

механички бранови во гасови, течности и цврсти супстанци вклучувајќи вибрација, звук, улртазвук и

инфразвук. Примената на акустиката може да се види во речиси сите аспекти на модерното

постоење, на пример: аеронаутика, обработка на аудио сигнали, биоакустика, електроакустика,

архитектурна акустика, бучава во животната средина, музичка акустика, контрола на бучава,

психонаутика, говор, ултразвук, подводна акустика и вибрација.

Звучни бранови во слободно поле

Практичните проблеми во акустиката се без сомнение поврзани со луѓе, згради, соби,

авиони, автомобили и тн. Тие генерално може да се класифицираат како проблеми во физиката (звук

како стимулант) или проблеми во психофизиката (звукот како перцепција), но и често се поврзани.

Проблемите во акустиката можат да бидат доста комплексни во физичка смисла, на пример,

рефлексија на илјадници компоненти или чудни температурни градиенти можат да го променат

посакуваниот звук, со што би се добиле резултати многу поинакви од замислените. Акустиката,

грубо кажано, скоро секогаш се однесува на намерата и резултатот, т.е човекот и неговата реакција

на одреден звук, такашто комплексноста во ова поле е неизбежна.

Звукот во слободно поле патува праволиниски, непопречен и недеформиран. Непречен проток на

звукот е всушност оној звук кој не е рефлектиран и неабсорбиран, недифрактиран, нерефрактиран,

недифузиран и неподложен на ефект на резонанца. Ова се сите неповолности кои можат да му се

случат на едноставен проток од звук кој го напушта изворот.

Рефлексија на звук

Рефлексија на звук е појава на нагла промена во правецот на ширење на одреден дел од

енергијата на звучниот бран. Рефлексија се случува кога бранот наидува на физички диконтинуитет

во средината каде патува (се шири). Поимот дисконтинуитет во овој контекст подразбира нагла

промена на физичките својства на средината. Најдрастичен облик на дисконтинуитет се случува

тогаш кога звучниот бран кој патува во воздушен простор наидува на препрека од масивна и тврда

материја како што е ѕид. Разликата во физичките својства на воздухот и цврстата материја како што

е ѕидот е огромна, такашто во тој случај рефлексијата на звукот е речиси потполна (скоро целата

енергија на бранот се рефлектира и го менува смерот на ширење). Кога во одредена средина работи

извор на звук, појавата наречена рефлексија води кон тоа дека звучното поле станува сложено. Во

секоја точка на просторот постои повеќе од една компонента на полето: директниот звук кој доаѓа по

најкраткиот пат од изворот и рефлексијата која настанува од препреките. Самото звучно поле е

резултат на суперпонирањето од овие две компоненти. Во ред околности постои повеќе од една

равенка на дисконтинуитет, при што настанува повеќекратна рефлексија. Во таков случај

резултантното поле станува суперпозиција на сите присутни бранови, директи и рефлектирани.

Раководејќи се по ова, јасложен случај на звучно поле би претставувале простории каде постојат

бројни рефлексии од различни ѕидови.

Поимот слободен простор

Простор во кој не постои рефлексија се нарекува слободен простор. Тоа е иделлизиран поим

во акустиката, кој реално не постои. Дури и тогаш кога ќе се отстранат сите можни физички

препреки кои би му влијаеле на звукот, постои некакво тло, чие присуство е неминовно. Без оглед на

тоа со што е тлото покриено, самото претставува еден дисконтинуитет на кој ќе се појави рефлексија

на звукот, што ќе се шири понатаму во воздухот.

Идеалниот простор може да се реализира само лабораториски. За таа цел во акустична лабораторија

се поставуваат посебни простории во кои сите 6 површини кои ги градат се направени од материјали

и конструкции кои ефикасно го апсорбираат звукот.Овој тип на просторија се нарекува анехоична

просторија, и најчеста примена наоѓа при тестирање на звучници и микрофони бидејќи во неа постои

само директен звук од изворот, без никакви додатни искуства од евентуална рефлексија.

Вон лабораториски простории, неможе да се избегне присуство на тло (под). Она што реално може да

се постигне е да се изнајде околина во која нема вертикални препреки, или ѕидови, со што би се

елиминирале можните рефлексии. Овој случај се нарекува отворен простор, што претставува реална

верзија на акустичниот поим ”слободен простор”. Во отворен простор се појавува само рефлексија од

тлото или евентуално од некои осамени препреки. Така вкупното ниво на звук во поле е резултат на

суперпонирање на директниот звук и конечниот број присутни рефлексии, така што математичката

анализа на полето може да се изведе преку нивно собирање.

Рамнина на диконтинуитет во средината

Во акустиката под поимот физички дисконтинуитет во средина низ која се шират звучните

бранови се подразбира нагла промена на вредноста на специфичната импеданса на средината.

Рамнината на дисконтинуитет ги одделува средините со различна импеданса Zs1 и Zs2. Заради

поедноставна анализа погодно е почетокот на координатниот систем да се постави во рамнината на

дисконтинуитетот. Појавата наречена рефлексија, укажува на тоа дека енергијата на бранот, која при

ширењето ќе наиде на дисконтинуитет, во еден дел ќе се рефлектира и врати назад (на сликата е

означен како рефлектиран бран), а остатокот од енергијата ќе продолжи да се шири во друга средина

Големината на рефлектираните бранови зависи само од односот на импедансите на двете средини.

Рефлексија нема да постои, т.е факторот на рефлексија ќе биде 0, само кога импедансите на двете

средини се потполно еднакви. Тоа е граничен случај бидејќи тогаш нема дисконтинуитет. Без оглед

на тоа колку е мала разликата во импедансите , резултатот секогаш е рефлексија, а релативниот

однос на големината на директниот (влезниот) и рефлектираниот бран ќе биде функција од односот

на тие импеданси. Поимот дисконтинуитет подразбира промена на густината на медиумот и (или)

промена на брзината на распространувањето на звукот во него.Рефлексија се јавува без оглед на тоа

дали бранот се наоѓа во средина со помала или поголема импеданса (во пракса од поретка кон погуста

средина или во превртен смер). Кога импедансите на двете средини се многу различни, се јавува

потполна рефлексија. Тоа може да се случи во две карактеристични случаи: кога импедансата на

втората средина тежи кон бесконечност и кога истата тежи кон нула.

Ако импедансата на втората средина тежи кон бесконечност (многу поголема од импедансата на

првата средина) факторот на рефлексија ќе биде 1 r = 1, ако пак импедансата на втората средина

тежи кон 0, r = -1.

Позитивен фактор на рефлексија во пракса се јавува тогаш кога звукот од воздухот наидува на

масивен ѕид. Ако импедансата на ѕидот на кој наидува бранот од воздух е реална, тогаш и факторот

на рефлексија е реален. Тоа попрецизно кажано е дека влезниот и рефлектираниот бран се во фаза.

Негативна вредност на факторот за рефлексија се јавува тогаш кога звукот доаѓа од погуста средина,

пример вода и се движи према воздух. Тогаш факторот на рефлексија е -1, што би значело дека

директниот и рефлектираниот бран во одност на рамнината на дисконтинуитет се во противфаза

Комплексната вредност на факторот за рефлексија покажува дека односот на фазите помеѓу

директниот и рефлектираниот бран во рамнината на дисконтинуитет ќе биде различен од 0, односно

истиот ќе биде π. За да во реалноста се појави комплексна вредност при рефлексијаа на бранот кој од

воздухот поминува низ некоја препрека, неопходно е импедансата на втората средина да содржи

реактивна компонента. Ова може да се случи кога препреката има сложена физичка структура на

својата површина, пример кога површината на рефлексијата поседува некаква механичка

еластичност.

Постојат практични околности кога рефлексијата се јавува во самиот воздух, без појава на цврсти

препреки. Дисконтинуитетот во такви случаи настанува на два начина. Истиот може да биде

последица на температурните разлики во двата слоеви на воздухот, што креира разлика во брзината

на распространувањето на звукот c, а може и да настане со турбуленција на воздухот која ќе влијае

при стварањето на слоеви со променети густини ρ. Се ова како резултат дава промена на вредностите

на импедасата ρc.

Коефициент на апсорпција

Појавата на рефлексија се квантифицира преку вредноста на факторот на рефлексија, кој го

покажува односот на притисокот на директниот (влезниот) и рефлектираниот бран. Многу често

постојат околности кога е попогодно појавата на рефлексија да се опише енергетски одколку преку

притисок. Во вакви случаи за опишувањето на процесот кој се случува при рефлексија се воведува

поимот апсорпција. Ова подразбира набљудување на појавата од средината од која доаѓа бранот. За

набљудувачот кој се наоѓа во првата средина, делот од енергијата на бранот кој преминува низ

рамнината на дисконтинуитет во втората средина, се губи, односно се апсорбира.

Карактеризирање на апсорпција и рефлексија

својство на апсорпција → коефициент на апсорпција (реален, 0<α<1)

својство на рефлексија → фактор на рефлексија (комплексен, 0 < |R| < 1)

врска помеѓу α и R за рамни бранови

α = 1 − |R|2

Рефлексија од различни типови на површини

Штом се активира звук во соба, истиот патува радијално во сите насоки. Како што бранот

наидува на пречки или површини, како што се ѕидови, неговиот правец на ширење се менува, т.е

бранот се рефлектира.

Рефлексија од Рамна Површина

На сликата е прикажана рефлексија на бранови од крута и рамна ѕидна површина.

Сферичните бранови полиња (полни линии) удираат во ѕидот, а рефлектираните (испрекинати) се

враќаат назад кон изворот. Слично како со светлина/огледало, рефлектираните бранови полиња се

однесуваат како да потекнуваат од ”сликата на звукот”. Овој извор на слика е лоциран на исто

растојание зад ѕидот како и вистинскиот извор пред ѕидот. Ова е наједноставен пример кога постои

една едиснтвена површина на рефлексија. Во правоаголна соба, постојат шест површини и изворот

емитува бран кој се шири кон сите шест, праќајќи енергија назад до приемникот. Како дополнување

на ова се формираат и ”слики” на сликите, такашто исходот е многу по комплексен. Во

пресметување на интензитетот на вкупниот звук во дадена точка на примање, уделот на сите овие

слики мора да се земе во предвид. Звукот се рефлектира од објекти што се големи во споредба со

должината на бранот на удирачкиот звук.

Под 300-400 Hz, звукот се смета за бран. За оној звук кој е над 300-400 Hz се нарекува патувачки

зрак. Зрак на светлина може да подлежи на многу рефлексии како што се одбива околу собата.

Енергијата изгубена со секоја рефлексија резултира , крајно со смрт на тој зрак.

.

Рефлексија од конвексни површини

Сферичните бранови повшини, од извор на точка се стремат кон оформување на рамен бран како

што се одалечуваат од изворот. Заради ова звукот кој удира на повеќе различни површини ќе се

разгледува како рамна бранова површина. Рефлексијата на овие звучни бранови од цврста конвексна

површина се стреми да ја распрска енергијата на звукот во повеќе насоки. Ова се додава на

дифузијата на удирачкиот звук.

Рефлексија од конкавни површини

Рамните бранови површини кои удираат на конкавна површина се стремат кон фокална

точка. Прецизноста со која звукот се фокусира во одредена точка е детерминирана со формата на

конкавната површина. Сферичните конкавни површини најчесто се користат да направат одреден

микрофон добро насочен со негово пласирање токму на фокалната точка. Овој тип на микрофони се

користат за собирање на звук во поле, на пример спортски настани или животински звуци во

природата.

Рефлексија од параболични површини

Параболата дава карактеристика на фокусирање на звукот прецизно кон една точка. Тоа се

прикажува со едноставната равенка y = x2. Многу ”длабока” параболична површина покажува

подобри резултати одколку ”плитка” параболична површина. На сликата е прикажано користење на

парабола како извор на насочен звучен бран со мала, ултрасонична свирка насочена навнатре кон

фокалната точка

Апсорпција на звук

Звучна апсорпција подразбира мерење на количеството енергија на звук апсорбирана од

одреден материјал.

Коефициентот на звучна апсорпција на одреден материјал ја опишува способноста за апсорбирање на

истиот и се мери со бројни специфични фрекфенции. Резултатот е секогаш број од 0 до 1, каде 0 е

целосна рефлексија, а 1 е целосна апсорпција. Ако добиениот коефициент е помножен со 100, истиот

нуди добивање на процент на инциденцата на звукот што е апсорбиран. Пример α = 0,75 значи α =

0,75 x 100% = 75% од звукот е апсорбиран, а останатите 25% се рефлектирани.

Материјали кои апсорбираат звук и механизам на апсорпција

Материјали кои конзумираат енергија: притисокот на звукот ги принува влакната да се

придвижат, да се наведнат или деформираат со што акустичната енергија преминува во динамична

енергија на самиот материјал.

Фиктивни конзуматори на топлина: звучните бранови удираат на површината, воздух поминува низ

процепите на материјалот заради воздушното вознемирување произведено од звукот. Фиктивни сили

ја конвертираат звучната енергија во топлинска (иако често количината е мала)

Видови на апсорбери

Најчесто користени материјали за апсорпција на звук се порозни материјали. Токму

порозноста на одреден материјал е и таа што ја детерминира рефлексијата на истиот.

Особините на порозен материјал што ја одредуваат неговата корист за акустични цели е всушност

отпорноста на материјалот при индуциран проток како резултат на притисок.

Отпор на проток е важен параметар во мерењето на акустичните особини на одреден материјал.

Материјали на апсорпција

- стаклена волна

- органски материјали (дрво)

- стиропор

Механизам на апсорпција:

Брзината на звучните честички кореспондира со воздухот што осцилира во дупките.

- загуба при триење

Позиционирање

- местото каде брзината на звучните честички е голема

Панелни Апсорбери пак се, некрути и не порозни материјали што се поставени на воздушен простор

кој пак вибрира на свиткувачки начин како одговор на притисокот од звукот притиснат од соседните

воздушни молекули. Панелните или мембранските апсорбери вклучуваат панел од тенко дрво, лесни

непродирливи површини на подови или тавани, глазирани или други големи површини способни за

резонација на звукот. Панелните апсорбери најмногу се користат за апсорбирање на ниски

фрекфенции.

Резонаторите типично апсорбираат звук со прав опсег на фрекфенција. Во резонатори спаѓаат

некои перфорирани материјали или материјали што имаат отвори (дупки или процепи). Класичен

пример на резонатор е Хелмхолц резонаторот, кој има форма на флаша. Фрекфенцијата на

резонација е раководена од големината на отворот, должината на вратот и волуменот на воздух

заглавен во комората. Типично, перфорираните материјали ги апсорбираат само средните

фрекфенции, освен ако не се превземат посебни мерки во дизајнирањето на површините за да бидат

автоматски транспарентни најмногу што можат. Процепите обично имаат слично акустично

однесување. Долгите прави процепи можат да се користат за апсорбирање на ниски фрекфенции.

Користена литература:

Куртовиќ Х., Пресметување на коефициент на апсорбција на звукот низ порозен материјал, Телекомуникациски форум ТЕЛФОР 2007. Белград, Србија 2007

Cox, T. J. and P. D'antonio, Acoustic Absorbers and Diffusers, SponPress,(2004)

Fahy, F., Foundations of Engineering Acoustics, Academic Press London, (2001)

Delany, M.E., and Bazley, E.N., "Acoustical properties of fibrous absorbent materials" Applied Acoustics, vol. 3

Brillouin, J., Reflection and Refraction of Acoustic Waves by a Shock Wave

D. B. Fry, Absorption and reflection of sound energy

Olson, Harry F. Autor (1967). Music, Physics and Engineering

Leo Beranek, Acoustics (1993)