Поглощение звука: принципы, материалы и применение.

Введение

Когда объект поглощает энергию от звуковых волн вместо того, чтобы отражать их.

В акустике поглощение относится к процессу, посредством которого материал, структура или объект поглощают звуковую энергию при встрече со звуковыми волнами, а не отражают её. Часть поглощенной энергии преобразуется в тепло, а часть передается через поглощающее тело. Энергия, преобразованная в тепло, считается "потерянной". Когда звук от громкоговорителя сталкивается со стенами комнаты, часть звуковой энергии отражается обратно в комнату, часть передается сквозь стены, а часть поглощается стенами. Так же, как акустическая энергия передается через воздух в виде разницы давлений (или деформаций), акустическая энергия распространяется через материал, из которого состоит стена, аналогичным образом. Деформация вызывает механические потери посредством преобразования части звуковой энергии в тепло, что приводит к затуханию звука, в основном из-за вязкости стены. Схожие механизмы затухания применимы к воздуху и любой другой среде, через которую распространяется звук. Доля поглощенного звука определяется акустическими импедансами обеих сред и является функцией частоты и угла падения. Размер и форма могут влиять на поведение звуковой волны, если они взаимодействуют с её длиной волны, вызывая волновые явления, такие как стоячие волны и дифракция. Акустическое поглощение представляет особый интерес в звукоизоляции. Звукоизоляция направлена на поглощение максимально возможного количества звуковой энергии (часто на определенных частотах), преобразуя её в тепло или удаляя из определенного места. В общем случае, мягкие, податливые или пористые материалы (например, ткани) служат хорошими звукоизоляторами, поглощая большую часть звука, в то время как плотные, твердые, непроницаемые материалы (например, металлы) отражают большую его часть. Степень поглощения звука помещением определяется эффективной площадью поглощения стен, также называемой общей площадью поглощения. Она рассчитывается на основе его размеров и коэффициентов поглощения стен. Общая поглощающая способность выражается в сабинах и полезна, например, для определения времени реверберации в аудиториях. Коэффициенты поглощения можно измерить в реверберационной камере, которая является противоположностью безэховой камеры (см. ниже).

In acoustics, absorption refers to the process by which a material, structure, or object takes in sound energy when sound waves are encountered, as opposed to reflecting the energy. Part of the absorbed energy is transformed into heat and part is transmitted through the absorbing body. The energy transformed into heat is said to have been 'lost'. When sound from a loudspeaker collides with the walls of a room, part of the sound's energy is reflected back into the room, part is transmitted through the walls, and part is absorbed into the walls. Just as the acoustic energy was transmitted through the air as pressure differentials (or deformations), the acoustic energy travels through the material which makes up the wall in the same manner. Deformation causes mechanical losses via conversion of part of the sound energy into heat, resulting in acoustic attenuation, mostly due to the wall's viscosity. Similar attenuation mechanisms apply for the air and any other medium through which sound travels. The fraction of sound absorbed is governed by the acoustic impedances of both media and is a function of frequency and the incident angle. Size and shape can influence the sound wave's behavior if they interact with its wavelength, giving rise to wave phenomena such as standing waves and diffraction. Acoustic absorption is of particular interest in soundproofing. Soundproofing aims to absorb as much sound energy (often in particular frequencies) as possible converting it into heat or transmitting it away from a certain location. In general, soft, pliable, or porous materials (like cloths) serve as good acoustic insulators absorbing most sound, whereas dense, hard, impenetrable materials (such as metals) reflect most. How well a room absorbs sound is quantified by the effective absorption area of the walls, also named total absorption area. This is calculated using its dimensions and the absorption coefficients of the walls. The total absorption is expressed in Sabins and is useful in, for instance, determining the reverberation time of auditoria. Absorption coefficients can be measured using a reverberation room, which is the opposite of an anechoic chamber (see below).

Коэффициенты поглощения обычных материалов

+ Коэффициенты поглощения обычных материалов Материалы Коэффициенты поглощения по частоте (Гц) 12525050010002000Акустическая плитка (потолок).80.90.90.95.90Кирпич.03.03.03.04.05Ковер на бетонном основании.08.25.60.70.72Тяжелые шторы.15.35.55.75.70Мрамор.01.01.01.01.02Бетон окрашенный.10.05.06.07.09Штукатурка на бетоне.10.10.08.05.05Фанера на каркасе.30.20.15.10.09Гладкий бетон.01.01.01.02.02Деревянный пол.15.11.10.07.06

Анехокамера

Акустическая безэховая камера – это помещение, предназначенное для поглощения максимально возможного количества звука. Стены состоят из ряда рассекателей с высокопоглощающим материалом, расположенных таким образом, что отражённая ими часть звука направляется на другой рассекатель, а не обратно в помещение. Это делает камеру практически лишённой эха, что полезно для измерения уровня звукового давления источника и для проведения различных экспериментов и измерений. Безэховые камеры дороги по нескольким причинам и поэтому не распространены. Они должны быть изолированы от внешних воздействий (например, самолётов, поездов, автомобилей, снегоходов, лифтов, насосов, и вообще любых источников звука, которые могут мешать измерениям внутри камеры), и должны быть физически большими. Первая, изоляция от окружающей среды, в большинстве случаев требует специально построенных, почти всегда массивных и толстых стен, полов и потолков. Такие камеры часто строятся как изолированные помещения, установленные на пружинах, внутри более крупного здания. Национальный исследовательский совет Канады располагает современной безэховой камерой и опубликовал в интернете видео, демонстрирующее эти и другие конструктивные особенности. Двери должны быть изготовлены по специальному заказу, их уплотнение должно обеспечивать полную звукоизоляцию (без щелей по краям), вентиляция (при наличии) должна быть тщательно контролируемой, а освещение – бесшумным. Второе требование частично обусловлено первым и необходимостью предотвращения реверберации внутри помещения, например, от испытываемого источника звука. Устранение эха почти всегда достигается за счёт использования поглощающих пенных клиньев на стенах, полах и потолках, и для обеспечения эффективности на низких частотах они должны быть физически большими; чем ниже поглощаемые частоты, тем больше их размер. Следовательно, безэховая камера должна быть достаточно большой, чтобы разместить эти поглотители и системы изоляции, но при этом оставлять место для экспериментального оборудования и тестируемых устройств.

Электрическая и механическая аналогия

Энергия, рассеиваемая в среде при прохождении через нее звука, аналогична энергии, рассеиваемой в электрических резисторах или в механических демпферах в системах передачи механического движения. Все три эквивалентны резистивной части системы, состоящей из резистивных и реактивных элементов. Резистивные элементы рассеивают энергию (необратимо, превращая ее в тепло), а реактивные элементы запасают и высвобождают энергию (обратимо, пренебрегая малыми потерями). Реактивные свойства акустической среды определяются ее модулем упругости и плотностью, что аналогично электрическому конденсатору и электрической индуктивности, а также механической пружине, закрепленной на массе, соответственно. Важно отметить, что поскольку рассеяние зависит исключительно от резистивного элемента, оно не зависит от частоты. Однако на практике резистивный элемент изменяется в зависимости от частоты. Например, вибрации большинства материалов изменяют их физическую структуру и, следовательно, их физические свойства, что приводит к изменению эквивалентного "сопротивления". Кроме того, цикл сжатия и разрежения проявляет гистерезис давления в большинстве материалов, который является функцией частоты, поэтому за каждым сжатием следует разрежение, и общее количество энергии, рассеиваемой из-за гистерезиса, изменяется с частотой. Более того, некоторые материалы ведут себя не по закону Ньютона, что приводит к изменению их вязкости в зависимости от скорости сдвига, испытываемого при сжатии и разрежении; это также зависит от частоты. Газы и жидкости обычно демонстрируют меньший гистерезис, чем твердые материалы (например, звуковые волны вызывают адиабатическое сжатие и разрежение) и в основном ведут себя по закону Ньютона. Совместно резистивные и реактивные свойства акустической среды формируют акустический импеданс. Поведение звуковых волн при встрече с другой средой определяется различиями в акустических импедансах. Как и в случае электрических импедансов, существуют согласования и несогласования, и энергия будет передаваться на определенных частотах (до почти 100%), в то время как на других она может быть в основном отражена (опять же, до очень больших процентов). При проектировании усилителей и акустических систем необходимо сбалансировать электрические, механические и акустические импедансы системы таким образом, чтобы частотная и фазовая характеристика минимально искажали воспроизводимый звук в широком спектре, обеспечивая при этом достаточный уровень звука для слушателя. Моделирование акустических систем с использованием тех же (или аналогичных) методов, которые давно применяются в электрических схемах, предоставило акустическим конструкторам новый и мощный инструмент проектирования.

The energy dissipated within a medium as sound travels through it is analogous to the energy dissipated in electrical resistors or that dissipated in mechanical dampers for mechanical motion transmission systems. All three are equivalent to the resistive part of a system of resistive and reactive elements. The resistive elements dissipate energy (irreversibly into heat) and the reactive elements store and release energy (reversibly, neglecting small losses). The reactive parts of an acoustic medium are determined by its bulk modulus and its density, analogous to respectively an electrical capacitor and an electrical inductor, and analogous to, respectively, a mechanical spring attached to a mass. Note that since dissipation solely relies on the resistive element it is independent of frequency. In practice however the resistive element varies with frequency. For instance, vibrations of most materials change their physical structure and so their physical properties; the result is a change in the 'resistance' equivalence. Additionally, the cycle of compression and rarefaction exhibits hysteresis of pressure waves in most materials which is a function of frequency, so for every compression there is a rarefaction, and the total amount of energy dissipated due to hysteresis changes with frequency. Furthermore, some materials behave in a non Newtonian way, which causes their viscosity to change with the rate of shear strain experienced during compression and rarefaction; again, this varies with frequency. Gasses and liquids generally exhibit less hysteresis than solid materials (e. g., sound waves cause adiabatic compression and rarefaction) and behave in a, mostly, Newtonian way. Combined, the resistive and reactive properties of an acoustic medium form the acoustic impedance. The behaviour of sound waves encountering a different medium is dictated by the differing acoustic impedances. As with electrical impedances, there are matches and mismatches and energy will be transferred for certain frequencies (up to nearly 100%) whereas for others it could be mostly reflected (again, up to very large percentages). In amplifier and loudspeaker design electrical impedances, mechanical impedances, and acoustic impedances of the system have to be balanced such that the frequency and phase response least alter the reproduced sound across a very broad spectrum whilst still producing adequate sound levels for the listener. Modelling acoustical systems using the same (or similar) techniques long used in electrical circuits gave acoustical designers a new and powerful design tool.