Техническая акустика и защита от шума. Лекция №4 Источники звука

Описание презентации по отдельным слайдам:

• 

  1 слайд

  Техническая акустика и защита от шума
  Лекция №4
  Источники звука. Звуковая энергия.
  Плотность звуковой энергии.
  
  ГУСЕВ К. П.
  

• 

  2 слайд

  Звуковые волны –результат колебательного процесса. Всякое колебание связано с нарушением равновесного состояния системы и выражается в отклонении её характеристик от равновесных значений с последующим возвращением к исходному значению. Для звуковых колебаний такой характеристикой является давление в точке среды, а её отклонение — звуковым давлением.
  18 Источники звука. Звуковая энергия. Плотность звуковой энергии.
  

• 

  3 слайд

  Источники звука бывают естественными (голосовые связки, звуки природы) и искусственные (камертон, струна).
  
  Звукова́я эне́ргия (W ) — энергия колебаний частиц среды, переносящей звуковые волны. Измеряется в Джоулях.
  
  Плотность звуковой энергии — величина, равная отношению звуковой энергии dW, содержащейся в элементе среды, к объёму dV этого элемента [Дж/м3].
  𝜔= 𝑑𝑊 𝑑𝑉
  
  

• 

  4 слайд

  Другими словами плотность энергии звуковой волны можно представить в виде суммы плотностей ее кинетической и потенциальной энергий:
  𝜔= 𝜔 пот + 𝜔 кин = 𝜌 𝑣 2 2 + 𝛽 𝑃 2 2
  𝜌 – плотность среды,
  𝑣 – колебательная скорость частиц,
  P – звуковое давление,
  𝛽= 1 𝜌 𝑐 2 - сжимаемость среды, 𝑐 – скорость звука.
  

• 

  5 слайд

  Звуково́е давле́ние — переменное избыточное давление, возникающее в упругой среде при прохождении через неё звуковой волны. Единица измерения —паскаль (Па).
  Мгновенное значение звукового давления в точке среды изменяется как со временем, так и при переходе к другим точкам среды, поэтому практический интерес представляет среднеквадратичное значение данной величины, связанное с интенсивностью звука:
  19 Звуковое давление. Уровень звукового давления. Объемная скорость
  
  

• 

  6 слайд

  𝐼= 𝑝 2 𝑡 𝑍 𝑠
  I – интенсивность звука, Вт/м2, 𝑍 𝑠 - удельное акустическое сопротивление среды, 𝑝 2 𝑡 - квадрат звукового давления, усредненный по времени.
  При рассмотрении периодических колебаний иногда используют амплитуду звукового давления; так, для синусоидальной волны
  𝑝= 𝑝 0 ∙ sin 𝜔𝑡+𝜑 ;
  𝑝 2 𝑡 = 𝜋∙ 𝑝 0 2 𝜔 .
  
  
  
  

• 

  7 слайд

  Уровень звукового давления (англ. SPL, Sound Pressure Level ) — измеренное по относительной шкале значение звукового давления, отнесённое к опорному давлению p0=20 мкПа, соответствующему порогу слышимости синусоидальной  звуковой волны частотой 1 кГц, дБ:
  
  𝑁=20𝑙𝑔 𝑝 𝑝0 =20𝑙𝑔 𝑝 20∙ 10 −6 Па
  
  

• 

  8 слайд

  Уровни звукового давления от различных источников
  0 дБ SPL — специальная измерительная камера;
  5 дБ SPL — почти ничего не слышно;
  10 дБ SPL — почти не слышно — шёпот, тиканье часов, тихий шелест листьев;
  15 дБ SPL — едва слышно — шелест листьев;
  20 дБ SPL — едва слышно — уровень естественного фона на открытой местности при отсутствии ветра, норма шума в жилых помещениях;
  25 дБ SPL — тихо — сельская местность вдали от дорог;
  30 дБ SPL — тихо — настенные часы;
  35 дБ SPL — хорошо слышно — приглушённый разговор;
  40 дБ SPL — хорошо слышно — тихий разговор, учреждение (офис) без источников шума, уровень звукового фона днём в городском помещении с закрытыми окнами выходящими во двор;
  50 дБ SPL — отчётливо слышно — разговор средней громкости, тихая улица, стиральная машина;
  60 дБ SPL — шумно — обычный разговор, норма для контор;
  65 дБ SPL — шумно — громкий разговор на расстоянии 1 м;
  70 дБ SPL — шумно — громкие разговоры на расстоянии 1 м, шум пишущей машинки, шумная улица, пылесос на расстоянии 3 м;
  75 дБ SPL — шумно — крик, смех с расстояния 1м; шум в железнодорожном вагоне;
  80 дБ SPL — очень шумно — громкий будильник на расстоянии 1 м; крик; мотоцикл с глушителем; шум работающего двигателя грузового автомобиля;
  85 дБ SPL — очень шумно — громкий крик, мотоцикл с глушителем;
  90 дБ SPL — очень шумно — громкие крики, пневматический отбойный молоток, тяжёлый дизельный грузовик на расстоянии 7 м, грузовой вагон на расстоянии 7 м;
  95 дБ SPL — очень шумно — вагон метро на расстоянии 7 м;
  100 дБ SPL — крайне шумно — громкий автомобильный сигнал на расстоянии 5—7 м, кузнечный цех, очень шумный завод;
  110 дБ SPL — крайне шумно — шум работающего трактора на расстоянии 1 м, громкая музыка, вертолёт;
  115 дБ SPL — крайне шумно — пескоструйный аппарат на расстоянии 1 м, мощный автомобильный сабвуфер;
  120 дБ SPL — почти невыносимо — болевой порог, гром (иногда до 120 дБ), отбойный молоток, вувузела на расстоянии 1 м;
  

• 

  9 слайд

  130 дБ SPL — боль — сирена, шум клёпки котлов;
  140 дБ SPL — травма внутреннего уха — взлёт реактивного самолёта на расстоянии 25 м, максимальная громкость на рок-концерте;
  150 дБ SPL — контузия, травмы — взлёт ракеты на Луну с экипажем, на расстоянии 100 м, реактивный двигатель на расстоянии 30 м, соревнования по автомобильным звуковым системам;
  160 дБ SPL — шок, травмы, возможен разрыв барабанной перепонки — выстрел из ружья близко от уха; ударная волна от сверхзвукового самолёта иливзрыва давлением 0,002 МПа;
  168 дБ SPL — шок, травмы, возможен разрыв барабанной перепонки — выстрел из винтовки M1 Garand на расстоянии 1 м;
  170 дБ SPL — светошумовая граната, воздушная ударная волна давлением 0,0063 МПа;
  180 дБ SPL — светошумовая граната, воздушная ударная волна давлением 0,02 МПа, длительный звук с таким давлением вызывает смерть;
  190 дБ SPL — воздушная ударная волна давлением 0,063 МПа;
  194 дБ SPL — воздушная ударная волна давлением 0,1 МПа, равным атмосферному давлению, возможен разрыв лёгких;
  200 дБ SPL — воздушная ударная волна давлением 0,2 МПа, возможна смерть;
  210 дБ SPL — воздушная ударная волна давлением 0,63 МПа;
  220 дБ SPL — воздушная ударная волна давлением 2 МПа;
  230 дБ SPL — воздушная ударная волна давлением 6,3 МПа;
  240 дБ SPL — воздушная ударная волна давлением 20 МПа;
  249,7 дБ SPL — максимальное давление 61 МПа воздушной ударной волны при взрыве тринитротолуола[1]. Давление ударных волн при обычном взрыве может быть больше (максимальное — давление детонации), но это будет ещё не воздушная, а начальная взрывная ударная волна, образованная разлётом продуктов детонации;
  260 дБ SPL — ударная волна давлением 200 МПа;
  270 дБ SPL — ударная волна давлением 632 МПа;
  280 дБ SPL — ударная волна давлением 2000 МПа;
  282 дБ SPL — 2500 МПа — максимальное давление воздушной ударной волны при ядерном взрыве[2]. Максимальное давление продуктов реакции в момент ядерного взрыва гораздо больше — до 100 млн. МПа.
  300 дБ SPL — 20 000 МПа — среднее давление детонации обычных взрывчатых веществ;
  374 дБ SPL — 100 млн МПа — давление в ядерном заряде в момент ядерного взрыва;
  

• 

  10 слайд

  Объёмная скорость (V) - поток колебательной скорости частиц через данную поверхность.
  𝑉= 𝑣∙𝑛∙𝑑𝑆
  где 𝑣  - вектор колебательной скорости частиц в данной точке поверхности, 𝑛 - единичный вектор нормали к поверхности в этой точке,  𝑑𝑆  - элемент площади поверхности S, для к-рой вычисляется 𝑉.
  

• 

  11 слайд

  КОЛЕБАТЕЛЬНАЯ СКОРОСТЬ ЧАСТИЦ - скорость, с которой движутся частицы среды, колеблющиеся при прохождении звуковой волны около положения равновесия, по отношению к среде в целом.
  𝑉= 𝑝 𝜌𝑐
  
  К примеру, вблизи двигателя реактивного самолёта V=2,5 м/с.
  

• 

  12 слайд

  Акусти́ческий импеда́нс 
  (англ. impedance от лат. impedio — препятствую) — комплексное акустическое сопротивление среды, представляющее собой отношение комплексных амплитуд звукового давления к 
  колебательной объёмной скорости.
  20 Понятия акустического сопротивления и импеданса
  

• 

  13 слайд

  В общем случае, акустический импеданс выражается как:
  𝑍 𝑎 = 𝑅 𝑎 +𝑖 𝑋 𝑎
  𝑖 – мнимая единица;
  𝑅 𝑎 -  активное акустическое сопротивление, определяется диссипацией энергии в самой акустической системе и потерями на излучение звука;
  𝑋 𝑎 - реактивное акустическое сопротивление, является следствием наличия в акустической системе сил упругости или инерции масс. Поэтому реактивное сопротивление бывает упругим или инерционным
  

• 

  14 слайд

  Единицей измерения акустического импеданса в системе СИ является —
  Па∙с м 3
  
  Её устаревшее название — акустический ом.
  

• 

  15 слайд

  1) Бел (сокращение: B) — безразмерная единица измерения отношения (разности уровней) некоторых величин (например, энергетических — мощности и энергии или „силовых“ — напряжения и силы тока) по логарифмической шкале.
  Согласно ГОСТ бел определяется как «логарифмическая величина (десятичный логарифм безразмерного отношения физической величины к одноименной физической величине, принимаемой за исходную)
  21 Единицы измерения уровней звука (бел, непер)
  

• 

  16 слайд

  Для одноименных энергетических величин:
  1𝐵=𝑙𝑔 𝑃 𝑃 0 при P=10 P0
  
  Бел впервые был введён в использование инженерами из телефонной лаборатории Белла (Алекса́ндр Гре́йам Белл).
  Используют различные кратные и дольные единицы Бел. Декабел - daB (даБ), децибел - dB (дБ).
  
  

• 

  17 слайд

  2) Не́пер — безразмерная единица измерения отношения двух величин. Непер не входит в систему единиц СИ, однако, по решению Генеральной конференции по мерам и весам, допускается его применение без ограничений совместно с СИ. Единица названа в честь Джона Непера, который ввёл в математику понятие логарифма. Русское обозначение — Нп; международное — Np.
  

• 

  18 слайд

  Так же, как бел и децибел, непер является единицей логарифмической шкалы. Разница между ними в том, что отношение величин, выраженное в белах (децибелах), предполагает использование десятичных логарифмов, тогда как для отношения в неперах используются натуральные логарифмы. Отношение величин x1 и x2 в неперах:
  𝑁=𝑙𝑛 𝑥 1 𝑥 2 =𝑙𝑛 𝑥 1 − 𝑙𝑛𝑥 2
  

• 

  19 слайд

  Неперы можно выразить через децибелы и наоборот:
  1Np=20 𝑙𝑜𝑔 10 𝑒 dB≈8,686dB
  1dB= 1 20 𝑙𝑜𝑔 10 𝑒 Np≈0,115 Np
  

• 

  20 слайд

  Условный порог звукового давления – это минимальная величина звукового давления, воспринимаемая человеческим ухом как звук. Международным соглашением пороговое звуковое давление установлено равным
  20∙ 10 −6 Н м 2
  22 Условный порог звукового давления. Формулы для вычисления продольных и поперечных звуковых колебаний
  

• 

  21 слайд

  Продольные и поперечные волны
  

• 

  22 слайд

  Для продольной волны амплитуда движения каждой равно распределённой в пространстве частицы одинакова, а их положение можно определит так:
  
  𝑥 0 =𝐴𝑠𝑖𝑛 𝜔𝑡 ; 𝑥 1 =𝐴𝑠𝑖𝑛 𝜔𝑡+ 𝜑 0 ;
  𝑥 2 =𝐴𝑠𝑖𝑛 𝜔𝑡+ 2𝜑 0 ….. 𝑥 𝑛 =𝐴𝑠𝑖𝑛 𝜔𝑡+ 𝑛𝜑 0
  
  𝜔 – частота волны, t – время колебаний,
  - сдвиг по фазе между соседними частицами.
  
  
  

• 

  23 слайд

  В поперечной волне колебания происходят в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны. Как и в случае продольных волн амплитуды колебаний всех шариков одинаковы, а фаза линейно изменяется от шарика к шарику
  
  𝑦 0 =𝐵𝑠𝑖𝑛 𝜔𝑡 ; 𝑦 1 =𝐵𝑠𝑖𝑛 𝜔𝑡+ 𝜑 0 ;
  𝑦 2 =𝐵𝑠𝑖𝑛 𝜔𝑡+ 2𝜑 0 ….. 𝑦 𝑛 =𝐵𝑠𝑖𝑛 𝜔𝑡+ 𝑛𝜑 0
  

• 

  24 слайд

  В общем виде уравнение распространения волны может быть записано в виде
  𝑧=𝐴(𝑐𝑜𝑠𝜔𝑡−𝑘𝑥)
  где z - координата, по которой происходит движение частиц, x - координата оси, вдоль которой распространяется волна, k - волновое число, равное 𝜔/v, v - скорость распространения волны.
  Зная частоту волны и скорость её распространения, мы можем найти сдвиг фаз между соседними шариками (частицами): 𝜑 0 = 𝜔 𝑣 𝑎, где a - расстояние между шариками в решётке.
  

• 

  25 слайд

  Сопряжем поперечные и продольные колебания:
  

• 

  26 слайд

  Сдвижка по фазе – 90 градусов.
  Каждая частица совершает круговое движение, имеющее следующее уравнение:
  𝑥=𝐴𝑐𝑜𝑠 𝜔𝑡+ 𝜑 0 ;𝑦=𝐴𝑠𝑖𝑛 𝜔𝑡+ 𝜑 0
  
  

• 

  27 слайд

  Смоделируем поверхностное натяжение воды и колебания на ее поверхности:
  
  

• 

  28 слайд

  23 Расчет скорости распространения звуковых волн в твердой неограниченной среде. Примеры численных значений для различных материалов (железо, бетон, стекло)
  В неограниченной твердой среде распространяются как продольные, так и поперечные упругие волны. Для каждой твердой среды скорость распространения продольной волны 𝑐 𝑝 всегда больше скорости распространения поперечной волны 𝑐 𝑠 .
  
  Обычно выполняется соотношение:
  𝑐 𝑝 > 𝑐 𝑠 ∙ 2
  

• 

  29 слайд

  В изотропном твердом теле фазовая скорость для продольной и поперечной волн равна:
  
  
  
  
  где K — модуль объемного сжатия; G  — модуль сдвига;  E — модуль Юнга;  𝜐 — коэффициент Пуассона.
  Модуль Юнга  — физическая величина, характеризующая свойства материала сопротивляться растяжению/сжатию при упругой деформации.
  

• 

  30 слайд

  Объёмный мо́дуль упру́гости (модуль объёмного сжатия) — характеристика способности вещества сопротивляться всестороннему сжатию. Эта величина определяет, какое нужно приложить внешнее давление для уменьшения объёма в 2 раза. Например, у воды объёмный модуль упругости составляет около 2000 МПа — это означает, что для уменьшения объёма воды на 1 % необходимо приложить внешнее давление 20 МПа.
  

• 

  31 слайд

  Модулем сдвига (обозначается буквой G или μ), называется отношение касательного напряжения к сдвиговой деформации
  

• 

  32 слайд