ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 66 «Определение нормального коэффициента звукопоглощения материала»

Цель работы: Исследовать звукопоглощение материала.

Краткая теория. Процесс распространения колебаний в упругой среде называется волной. При этом от источника колебаний передается энергия и импульс, а частицы упругой среды совершают только колебательные движения по отношению к положениям равновесия. Механические колебания частиц упругой среды, происходящие с частотой от 20 до 20000 Гц, выделены в особую область слышимых звуковых колебаний.

Область пространства, в которой происходит распространение колебаний, называют звуковым полем. Физическое состояние среды в звуковом поле (изменение этого состояния, обусловленное наличием волн) обычно характеризуется звуковым давлением p - разностью между мгновенным значением полного давления и средним давлением, которое наблюдается в среде при отсутствии звукового поля. В фазе сжатия давление положительно, а в фазе разрежения - отрицательно.

Длина волны - расстояние между двумя ближайшими точками звукового поля, колеблющимися в одинаковых фазах, или расстояние, на которое распространяется волна за время, равное периоду колебаний:

, (3.1)

где с – скорость волны, f – частота колебаний.

Количество энергии, переносимой в единицу времени через единицу площади поверхности, перпендикулярной лучу распространения волны, называется интенсивностью или силой звука. Для свободного звукового поля, в котором звуковые волны приходят только в одном направлении от источника звука, интенсивность звука определяется формулой:

, (3.2)

где ρ – плотность среды, в которой распространяется волна.

Под громкостью в акустике понимают результат слухового восприятия звука определенной силы, т.е. громкость представляет собой субъективное, физиологическое качество звука, оценка которого зависит от свойств органа слуха.

Порогом болевого ощущения называется граница наиболее сильных звуков, восприятия которых сопровождается болезненным ощущением в ушах. Для частоты 1000 Гц порог соответствует интенсивности 100 Вт/м² и звуковому давлению 200 Па.

Порогом слышимости называют границу еле слышимых звуков. Для частоты 1000 Гц порог соответствует силе звука 10^-12 Вт/м² и звуковому давлению 2^.10^-5 Па.

Каким же образом орган слуха может выдерживать звуки, например, пушечного выстрела, и наряду с этим слышать шорох, производимый мухой, ползающей по листу бумаги?

Это явление объясняется физиологическим законом Вебера-Фехнера: если величина раздражения, производимого внешней средой на человеческий организм, возрастает в геометрической прогрессии, то ощущения, испытываемые организмом, возрастают в арифметической прогрессии. Трансформируя этот закон в математическую форму, можно сказать, что величина ощущения пропорциональна десятичному логарифму от величины раздражения.

Таким образом, минимальное значение интенсивности соответствует ,,нулевому’’ ощущению. В соответствии с этим законом была предложена следующая шкала соответствий ощущений и раздражений:

· раздражения- шкала значений сил звука: 10^-12, 10^-11, … ,100 Вт/м²;

· ощущения - шкала значений громкости: 0, 1, … ,140.

Между этими двумя шкалами имеется следующая связь:

, (3.4)

где - громкость звука, называемая уровень силы звука, а = 10^-12 Вт/м².

Единицу измерения громкости назвали бэлл (Б). Ввиду того, что наше ухо различает звуки, по интенсивности отличающиеся не в 10 раз, а меньше, то эту единицу разбили на 10 долей и назвали децибел (дБ). Таким образом уровень силы звука в дБ:

. (3.5)

Если вместо интенсивности звуков использовать ее связь со звуковым давлением, то:

, дБ. (3.6)

Основной акустической характеристикой звукопоглощающих материалов и конструкций является величина коэффициента звукопоглощения.

Если рассматривать процесс перемещения звуковой волны из среды 1 (воздух) через звукопоглощающий материал (з.п.м.), отражение его от твердой поверхности среды 2 и выход снова в среду 1, то можно отметить, что основная доля потери звуковой энергии связана с двойным проходом волны через звукопоглощающий материал. Количественной характеристикой степени снижения звуковой энергии является коэффициент звукопоглощения (к.з.п.), определяемый формулой:

, (3.8)

где Е_П - падающая звуковая энергия; Е_В - вышедшая звуковая энергия.

Измерение коэффициента звукопоглощения при нормальном падении звуковой волны (нормальный к.з.п.) происходит в трубе круглого или квадратного сечения и основано на явлении интерференции. Бегущая звуковая волна падает нормально на звукопоглощающий материал, проходит через него и, отразившись от жёсткой стенки, выходит обратно и накладывается на падающую волну. В результате получается стоячая волна, значения амплитуд максимумов и минимумов давления которой определяются степенью поглощения звуковой энергии образцом:

p_max = p_П + p_В , p_min = p_П – p_В . (3.9)

Отсюда, используя (3.3) и (3.8), можно получить, что:

. (3.10)

Пористыми з.п.м. называются такие материалы, в которых твёрдая и мягкая компоненты занимают лишь часть объёма тела, а остальной объём заполнен воздухом, находящимся в многочисленных порах. Обязательным условием эффективности действия з.п.м. является связь пор каналами между собой и с окружающей средой. Это обстоятельство связано с механизмом поглощения звука в таких материалах: звуковая волна, падающая на поверхность пористого материала, приводит частицы воздуха внутри пор в колебательное движение. Маленькие поры и каналы создают большое сопротивление движению потока воздуха, поэтому возникают потери, связанные с эффектами вязкости и теплопроводности.

Первой характеристикой материала, влияющей на звукопоглощение, является пористость, являющаяся безразмерной величиной, показывающей долю объёма сквозных отверстий от общего объёма материала. Пористость можно ещё определить, как отношение площади пор (на поверхности материала) к полной площади поверхности.

Различная форма каналов, их наклон к поверхности з.п.м. оцениваются структурным фактором - величиной, показывающей во сколько раз плотность воздуха в порах больше плотности воздуха в свободном состоянии.

Потери энергии, вызываемые вязкостью воздуха, оцениваются удельным сопротивлением продуванию (через материал единичной толщины) постоянного потока воздуха. Удельное сопротивление продуванию зависит от размера пор, их формы, плотности среды, перемещающейся по порам, частоты звуковых волн, проходящих через материал.

Описание установки. Схема установки представлена на рис. 3.1. Уровень сигнала с микрофона (L) регистрируется через звуковую карту компьютера с помощью специальной программы и измеряется в дБ. Причем наибольшему уровню сигнала соответствует 0 дБ.В этом случае в формулу (3.10) для расчета к.з.п. нужно преобразовать:

. (3.11)

Рис. 3.1. Схема установки: 1 – металлическая труба, 2 – динамик, 3 – перемещаемый микрофон на шнуре, 4 - металлический отражатель, 5 - звукопоглощающий материал, 6 – указатель положения микрофона, 7 - компьютер.

Порядок выполнения работы:

1. С помощью шнура аккуратно (чтобы избежать запутывания шнура микрофона внутри трубы) установить микрофон в начальное положение (указатель микрофона соответствует минимальному значению наклеенной измерительной шкалы, которая показывает расстояние микрофона от металлического отражателя). Аккуратно погрузить в верхний конец трубы звукопоглощающий материал (верхний край материала должен соответствовать краю трубы). Закрыть верхний конец трубы металлическим отражателем.

2. Включить компьютер. Запустить программу генератора сигналов (SIG-GEN) и программу анализатора спектра (ANALYSER). Программы находятся на рабочем столе.

3. В программе анализатора надавить кнопку «RUN». В программе генератора установить частоту f₁ = 1000Гц. Надавить кнопку «ON». (Если пика сигнала не наблюдается, то необходимо отсоединить микрофон от компьютера, перезагрузить компьютер и подключить микрофон).

4. Значение сигнала в пике L (показывается красная точка на спектре) и его частота показываются в правом нижнем углу окна анализатора спектра. Для анализа спектра также можно использовать программу «Winscope», расположенную на рабочем столе.

5. Медленно увеличивая расстояние микрофона от отражателя зафиксировать первые два положения, соответствующие максимумам и минимумам уровня сигнала, и значения этих уровней. Данные внести в таблицу 3.1.

6. Повторить измерения на частотах 1500, 2000 и 500 Гц.

7. Закрыть программы генератора и анализатора. Отключить компьютер.

8. По формуле (3.11) рассчитать к.з.п для каждой частоты (при этом в качестве максимальных и минимальных уровней сигнала принять их средние значения по двум измеренным максимумам и минимумам). Заполнить таблицу 3.1.

Таблица 3.1.

Контрольные вопросы:

1. Что представляют собой звуковые волны? Что такое звуковое давление, интенсивность звука, как они связаны?

2. Что такое уровень силы звука? Уровень звукового давления?

3. Дайте определение нормального коэффициента звукопоглощения материала. Каков способ его определения с помощью акустической трубы?

4. Что такое пористость звукопоглощающего материала, структурный фактор, удельное сопротивление продуванию? Как зависит звукопоглощение от этих характеристик? Какова качественная зависимость звукопоглощения от частоты звука, отчего она зависит?