Absorpce zvuku. Úžasný svět zvuku. n – Skvělé! vědní fyzika

Hlas, šířící se z jeviště jakoby ze středu, šířící se v kruzích a narážející na dutiny jednotlivých cév, dosahuje větší zvučnosti a vůle v důsledku harmonie zvuků vyvolat patřičnou odezvu. – Vitruvius. O architektuře

Slovy uvedenými v názvu básník čtenáři nejen předložil poetický obraz, ale také (možná aniž by to věděl) ​​zcela jasně definoval fyzikální podstatu procesu pohlcování zvuku. Ano, zvukové vibrace, které přešly do vláknitého nebo porézního materiálu, se vracejí zpět jen v relativně malé míře, významná část jejich energie se přeměňuje na teplo. (Jeho množství je však jako u většiny zvukových procesů extrémně malé: počítá se například, že kdyby všichni obyvatelé Moskvy nepřetržitě mluvili po celý den, vydaná energie by sotva stačila na ohřátí několika šálků čaj.)

Pro dosažení vysoké zvukové pohltivosti musí být splněny určité podmínky, zejména musí být zajištěna dostatečná tloušťka pohlcovače zvuku (čím nižší frekvence zvuku, tím větší) a absence znatelného skoku akustického odporu na hranici mezi médiem a pohlcovačem.

Diskuse o přenosu zvukové energie z média do tlumiče zvuku téměř automaticky dáváme do souvislosti s případem normálního dopadu zvuku na tlumič. No a jaký bude obraz se šikmým dopadem zvuku, bude pohltivost zvuku lepší nebo horší? Zdálo by se, že by se dalo uvažovat takto: při šikmém dopadu se zvuk šíří v pohlcovači zvuku na delší vzdálenost a pohltivost by měla být větší.

„Vějíř odrazu“ zvuku některými absorbéry zvuku. Čím větší je úhel dopadu zvuku (k normálu), tím větší část zvukové energie není absorbována tlumičem zvuku, ale je jím odražena.

Tento poslední závěr je dalším příkladem toho, jak mohou zjednodušující intuice někdy klamat. Ve skutečnosti zde může být opak pravdou. Do hry vstupuje princip normální impedance, který platí pro mnoho tlumičů zvuku, zejména tlumiče hluku ve vodě. Jeho podstatou ve stručnosti je, že při posuzování odezvy vrstvy pohlcovače zvuku na dopadající zvukovou vlnu se bere v úvahu pouze odpor vrstvy ve směru kolmém k jejímu povrchu.

„Neredukovatelná“ normální impedance vede k tomu, že kosinusová závislost absorpce na úhlu dopadu zvuku interferuje s hmotou: zvuková vlna dopadající na absorbér zvuku blízko kolmice k jeho povrchu je lépe absorbována než vlny dopadající na šikmé úhly.

Je normální impedance opravdu tak nepřekonatelná? Sovětská akustika K. A. Velizhanina, která zasvětila, dalo by se říci, celý svůj dospělý život studiu pohlcovačů zvuku a procesu pohlcování zvuku, dochází k závěru, že v některých případech mohou být úhlové charakteristiky pohlcování zvuku značně bizarní. K podobným závěrům došli japonští vědci, když studovali keramické absorbéry používané v konstrukcích provozovaných pod širým nebem (například v silničních tunelech).

Ještě trochu fyziky, než přejdeme k praktické aplikaci tlumičů zvuku. Při testování sekcí tlumičů hluku v měřicích komorách byl před poměrně dlouhou dobou objeven zajímavý jev. Pokud určíme absorbovanou energii ve vztahu k povrchu tlumiče zvuku, je koeficient absorpce někdy větší než jedna. Je tedy pohlcená zvuková energie větší než energie dopadající na pohlcovač? Možná je porušen zákon zachování energie? Ne, k žádnému porušení zákona samozřejmě nedochází. Jednoduše díky fenoménu difrakce je pozorován efekt podobný výše popsanému „efektu klíčové dírky“. Okraje tlumiče, zejména ty, které se nacházejí v blízkosti odrazných ploch komory, „absorbují“ zvuk, což způsobuje zvýšenou absorpci zvuku studovaného vzorku materiálu. Tento jev se nazýval „efekt okraje“.

Poškození způsobené difrakcí jako zdrojem chyb měření je však mnohem menší než pozitivní role, kterou může stejná difrakce hrát v halách, pokud je na jejich stěny a stropy aplikován pohlcovač zvuku. Sekce pohlcující zvuk, fungující na principu klíčové dírky, vysávají zvuk odražený od neobložených částí plotů místnosti. To znamená, že není vůbec nutné zakrývat celou plochu areálu tlumičem hluku! Z hlediska stavební praxe jde o velmi důležitý závěr.

Nyní jsme se ale již dostali k praktickému využití tlumičů zvuku. Vitruvius také poznamenal, že v některých sálech s ozvěnou je řeč mluvčího obtížně srozumitelná, ačkoli její hlasitost je dostatečná. Zde přichází na pomoc zvuk pohlcující obklad.

Jejich sortiment je nyní velmi rozmanitý. Patří mezi ně rohože z minerální „vlny“, polyuretanové pěny, omítky pohlcující zvuk, dřevotřískové desky a dokonce „kusové tlumiče“ (tento název nechejme na svědomí těch, kdo jej navrhli, mluvíme prostě o jednotlivých místních tlumiče zvuku zavěšené na nějakém místě v místnosti). Díky práci G.L. Osipova, E.Ya Yudina a mnoha dalších domácích vědců a inženýrů byly akustické vlastnosti materiálů pohlcujících zvuk velmi dobře prozkoumány a výroba takových materiálů v naší zemi byla zavedena v dostatečném množství. .

Nezasvěcený člověk by mohl považovat za chybné říci něco takového: „Pohlcování zvuku v této místnosti je tak velké. metrů čtverečních.” Neexistuje však žádná chyba: jeden metr čtvereční otevřeného okna se bere jako jednotka zvukové pohltivosti (celkové) (předpokládá se, že zvuk, který opouští místnost oknem, se nevrací zpět, a to je ekvivalent úplné pohlcování zvuku pro danou místnost).

Jednotka pohlcování zvuku se také nazývá sabin, pojmenovaná po americkém akustikovi, který významně přispěl k teorii pohlcování zvuku v místnostech.
Čím větší je celková absorpce zvuku v místnosti, tím rychleji zvuk v ní utichá poté, co zdroj přestane fungovat. V praxi se míra ozvěny místnosti odhaduje podle standardní doby dozvuku, během níž je zvuková energie milionkrát oslabena. A ukázalo se, že pro nejlepší vnímání řeči musí být doba dozvuku v rozmezí 0,5-1 sekundy.

Určitá omezení platí také pro frekvenční závislost doby dozvuku.
Hudba vyžaduje přibližně dvojnásobnou dobu dozvuku. Při posuzování celkové zvukové pohltivosti nelze opomenout pohltivost, kterou přispívají lidé. Hudebníci dokážou jasně rozlišit rozdíl ve zvuku orchestru v sále s publikem a bez něj. Proto, když prvotřídní orchestry zkouší v sále, je přes židle položen vlnitý zvuk pohlcující materiál.

Z kvantitativní stránky pohltivosti zvuku lidmi lze říci, že pohltivost zvuku jedné osoby se při středních zvukových frekvencích blíží pohltivosti půl metru čtverečního otevřeného okna.

V tomto ohledu by se autor neodvážil upozornit čtenáře na jednu poznámku (která se může zdát frivolní), kdyby nepatřila nejvýraznějšímu akustikovi naší doby E. Meyerovi. Na počátku 70. let založila Anglická akustická společnost medaili pojmenovanou po skvělém akustickém fyzikovi Rayleighovi. Jak již bylo zmíněno, Meyer při převzetí první předané medaile pronesl děkovný projev, ve kterém se poprvé zmínil o antisonarovém tlumiči zvuku, který vytvořil během druhé světové války pro německé ponorky. Poté projev nabral hravější charakter. Porovnával pokrok lidstva (a také zrovnoprávnění obou pohlaví ve společnosti) se změnami v pohlcování zvuku muži a ženami. Měření na začátku století naznačovala větší absorpci zvuku u žen, což bylo způsobeno jejich plnými krinolínami a účesy. Když ženy přešly na minisukně a krátké sestřihy a muži na plné vlasy, pohltivost zvuku zástupců obou pohlaví se vyrovnala.

Vraťme se však od pohlcování zvuku lidmi k jeho pohlcování v místnostech. Zvuková pohltivost hraje zvláštní roli v sálech s půlkruhovým nebo kulatým (v planetáriích) stropem, s úseky paralelních stěn. Zde jsou možné oblasti fokusace zvukových paprsků, nebo tzv. fluttering echa. Těmto jevům, které výrazně zhoršují akustiku místností, lze předejít aplikací více či méně rozšířených úseků tlumičů zvuku na stěny.

Dosud jsme mluvili především o vlivu zvukové pohltivosti na kvalitu akustiky koncertních sálů. Výjimečnou roli v boji proti hluku získaly umělé tlumiče zvuku. Za prvé, bez toho či onoho tlumiče zvuku neplní zvukotěsná konstrukce vůbec svou funkci. Odráží zvuk zpět a nepustí ho do izolované místnosti. Pokud ale zvuk vrácený zvukově izolační přepážkou není pohlcen, tak se jeho hladina ve zdrojové místnosti bude při nepřetržitém provozu zdroje neustále zvyšovat (teoreticky do nekonečna) a to zase zvyšuje zvukovou energii v izolované místnosti. Naštěstí všechny předměty do určité míry pohlcují zvuk. Zavedením speciálních tlumičů hluku je však možné snížit hladinu hluku řekněme na polovinu. Jak vidíte, hra stojí za svíčku.

Těžko by bylo možné dovedněji skloubit přítomnost sekcí moderního účinného tlumiče zvuku s celkovým klasickým stylem interiéru. Skutečnost, že tlumič zvuku (černé čtverce) nepokrývá celý strop sálu, nezhoršuje efekt: tlumiči zvuku pomáhá difrakce.

Pohlcovač hluku je nejúčinnější jako prostředek pro boj s hlukem v dlouhých, nízkých místnostech, které mimochodem na lodích převládají. A zde, v těchto „stlačených“ místnostech, je obzvláště vhodné instalovat tlumič zvuku na strop.

Zvukově pohlcující obložení jsou nezbytně přítomna tam, kde je nutné snížit hlučnost výkonných ventilátorů, výfukových systémů motoru, systémů sání vzduchu a uvolňování různých plynů. Když procházíme kolem větrací houby někde u stanice metra a slyšíme jemné dunění, nedokážeme si ani představit, jaký by to tu byl řev, kdyby ve ventilačních šachtách nebyla zařízení na pohlcování zvuku.

V případě velmi silných zvuků se tlumiče zvuku chovají poněkud jinak než v případě slabých zvuků. I. V. Lebedeva, který studoval fyziku absorpce zvuku na hladinách Žukova blízko prahu bolesti, zjistil, že velkou roli mají nelineární jevy, které zvyšují účinek pohlcování zvuku. Mohl by to vysvětlit účinek, který objevil Parkinson (samozřejmě ne Parkinson spisovatel, ale Parkinson akustik) při studiu útlumu zvuku ve ventilačním potrubí, jehož vnitřní stěny byly obloženy pohlcovačem zvuku? Ukázalo se, že v blízkosti výkonného zdroje je útlum zvuku na jednotku délky kanálu větší než v určité vzdálenosti od zdroje.

Ať už je mechanismus nelineární absorpce silného zvuku jakýkoli, z hlediska technologie potlačení hluku je to příznivá okolnost, protože to poněkud zjednodušuje obecně obtížný úkol potírání hluku.
Stavebníci dobře vědí, že nesmí zapomínat na přirozené tlumiče zvuku. Především jsou to koruny stromů a tráva trávníků – zelené samety zavěšené a rozprostřené přírodou, pohlcující zvuk, kterými jsme příběh začali. Pravda, nejsou tak účinné jako umělé tlumiče zvuku, ale přesto se zvuk prolétající jimi nebo nad nimi zjemňuje a vysokofrekvenční složky v něm jsou znatelně utlumeny. Toho si zjevně všiml K. Debussy, když psal svou klavírní skladbu „Bells through Leaves“.