Что такое звук и как он распространяется? Звуковые волны вокруг нас. Акустика - наука будущего.
Основы акустического импеданса
Акустический импеданс - это комплексная величина, характеризующая сопротивление среды распространению звуковой волны. Он определяется по формуле как отношение амплитуды звукового давления к колебательной скорости частиц среды:
Za = pa/v
Здесь Za - акустический импеданс, pa - амплитуда звукового давления, а v - амплитуда колебательной скорости.
Единицей измерения акустического импеданса в СИ является Н·с/м3. В системе СГС используется единица дин·с/см5.
Акустический импеданс можно разложить на действительную (активную) и мнимую (реактивную) составляющие. Активная часть связана с потерями энергии в среде, а реактивная обусловлена реакцией инерционных или упругих сил.
Величина акустического импеданса зависит от плотности среды ρ и скорости звука в ней c:
Za = ρc
Поэтому знание этих характеристик позволяет рассчитать акустический импеданс для любой среды.
Акустическое сопротивление различных сред
Акустический импеданс важно знать для многих практических приложений в области распространения и использования звука. Он позволяет оценить отражение и прохождение звука на границах раздела сред, рассчитать характеристики излучателей и приемников, оптимизировать конструкцию различных акустических систем.
Ниже в таблице приведены значения акустического импеданса некоторых веществ:
| Вещество | Акустический импеданс, Па·с/м |
| Воздух | 430 |
| Вода | 1,5·106 |
| Алюминий | 17·106 |
| Свинец | 19,7·106 |
Из таблицы видно, что акустический импеданс твердых тел значительно больше, чем жидкостей и газов. Это объясняется их более высокой плотностью.
Так как плотность и скорость звука зависят от температуры, то и акустический импеданс будет меняться с ее изменением. Например, для воздуха при температуре 20°С акустический импеданс рассчитывается следующим образом:
- плотность воздуха ρ = 1,2 кг/м3
- скорость звука с = 343 м/с
Подставляя эти значения в формулу, получаем:
Za = ρc = 1,2 · 343 = 411 Па·с/м
Это типичное значение акустического импеданса воздуха при комнатной температуре.
Распространение звука звуковые волны
При распространении звуковых волн в среде часть энергии отражается от границы раздела двух сред с разным акустическим импедансом, а часть проходит в другую среду.
Коэффициенты отражения R и прохождения T акустической энергии при нормальном падении волны определяются формулами:
R = (Z2 - Z1) / (Z2 + Z1)
T = 1 - R
где Z1 и Z2 - акустические импедансы первой и второй сред.
Из формул видно, что при равенстве импедансов R = 0, а T = 1, то есть волна полностью проходит во вторую среду без отражения. А в случае большой разницы импедансов коэффициент отражения стремится к 1.
Применение в акустике и звукотехнике
Знание акустического импеданса различных сред широко используется в акустике и звукотехнике. Он позволяет рассчитать основные характеристики излучателей и приемников звука, такие как мощность излучения, чувствительность, коэффициент полезного действия.
Кроме того, подбирая материалы с определенным акустическим импедансом, можно оптимизировать конструкцию акустических систем - рупоров, глушителей, резонаторов, звукопроводов. Это позволяет повысить общий КПД звукопередающего тракта за счет уменьшения потерь энергии.
Применение в медицинской акустике
Величина акустического импеданса биологических тканей имеет большое значение в медицинской акустике, в частности при ультразвуковых исследованиях. От соотношения акустических импедансов исследуемого органа и окружающих тканей зависит контрастность получаемого изображения.
Датчики для ультразвуковой диагностики изготавливают из материалов, акустический импеданс которых близок к импедансу биологических тканей. Это обеспечивает хорошее согласование и эффективный переход ультразвука из датчика в тело пациента и обратно.
Особенности восприятия звука животными
У разных животных восприятие звука во многом отличается от человека. Некоторые могут слышать ультразвук или инфразвук, недоступные нашему уху. Острота слуха и диапазон частот также сильно варьируются.
Эти особенности определяются строением органов слуха животных и физикой распространения звуковых волн в их теле. В частности, акустический импеданс слуховых каналов и внутренних структур уха существенно отличается у разных биологических видов.
Измерение акустического импеданса
Для практических расчетов и инженерных задач необходимо знать точные значения акустического импеданса используемых материалов. Существуют различные методы его экспериментального определения.
В лабораторных условиях акустический импеданс измеряют с помощью эталонных сред. В промышленности применяют специальные акустические измерительные камеры. Полученные данные используются для контроля качества и паспортизации материалов.
Перспективы практического применения
Активно ведутся разработки новых акустических материалов и метаматериалов с заданными свойствами. Их структура искусственно спроектирована так, чтобы реализовать эффекты, невозможные в природных средах.
В частности, созданы акустические аналоги оптических невидимок с близким к нулю импедансом. Применение таких материалов открывает новые возможности в области шумоизоляции и шумоподавления.
Моделирование акустических систем
Для расчета характеристик сложных акустических систем на этапе проектирования широко используется компьютерное моделирование методом конечных элементов. Задав параметры материалов, геометрию, возбуждающие сигналы, можно с высокой точностью предсказать амплитудно-частотные характеристики, диаграммы направленности, коэффициенты прохождения и отражения звука.
Влияние шероховатости поверхностей
При отражении звуковой волны от реальной поверхности следует учитывать ее шероховатость. Неровности приводят к рассеянию звука и увеличению поглощения. Поэтому акустический импеданс шероховатых поверхностей зависит не только от материала, но и параметров его текстуры.
Пространственно-временная модуляция
Интересные эффекты возникают при пространственно-временной модуляции свойств акустической среды. Это позволяет управлять направлением распространения волн, фокусировать звук, перенастраивать частотные характеристики систем. Достигается такой эффект за счет создания "движущихся" акустических решеток с меняющимся во времени профилем импеданса.
Нелинейные акустические эффекты
При высоких уровнях звукового давления проявляется нелинейность упругих свойств среды. В таких условиях понятие акустического импеданса перестает быть применимым, поскольку перестает выполняться принцип суперпозиции - сложение амплитуд. Наблюдаются такие эффекты, как генерация гармоник, искажение формы волны, ударные волновые фронты.
Анизотропные и градиентные среды
Если акустические свойства среды неоднородны или анизотропны, то понятие скалярного импеданса теряет смысл. В этом случае его необходимо заменить на тензорную величину, компоненты которой зависят от направления распространения волны. Это характерно, например, для кристаллических или волокнистых материалов.
