В акустике поглощение относится к процессу, посредством которого материал, конструкция или объект поглощает звуковую энергию при встрече со звуковыми волнами , а не отражает ее. Часть поглощенной энергии преобразуется в тепло , а часть передается через поглощающее тело. Говорят, что энергия, преобразованная в тепло, «потерялась » . [1]
Когда звук из громкоговорителя сталкивается со стенами комнаты, часть энергии звука отражается обратно в комнату, часть передается через стены, а часть поглощается стенами. Точно так же, как акустическая энергия передавалась через воздух в виде перепада давления (или деформации), акустическая энергия таким же образом проходит через материал, из которого состоит стена. Деформация вызывает механические потери за счет преобразования части звуковой энергии в тепло, что приводит к затуханию звука , в основном из-за вязкости стены . Аналогичные механизмы затухания применимы к воздуху и любой другой среде, через которую распространяется звук.
Доля поглощенного звука определяется акустическим сопротивлением обеих сред и является функцией частоты и угла падения. [2] Размер и форма могут влиять на поведение звуковой волны, если они взаимодействуют с ее длиной волны, вызывая такие волновые явления , как стоячие волны и дифракция .
Акустическое поглощение представляет особый интерес для звукоизоляции . Целью звукоизоляции является поглощение как можно большего количества звуковой энергии (часто определенных частот), преобразование ее в тепло или передача ее из определенного места. [3]
В целом, мягкие, податливые или пористые материалы (например, ткань) служат хорошими акустическими изоляторами, поглощая большую часть звука, тогда как плотные, твердые и непроницаемые материалы (например, металлы) отражают большую часть звука.
Насколько хорошо комната поглощает звук, количественно определяется эффективной площадью поглощения стен, также называемой общей площадью поглощения. Это рассчитывается с учетом его размеров и коэффициентов поглощения стен. [4] Полное поглощение выражается в единицах Сэбинса и полезно, например, для определения времени реверберации зрительного зала . Коэффициенты поглощения можно измерить с помощью реверберационной комнаты , которая является противоположностью безэховой камеры (см. ниже).
Звукопоглощение имеет решающее значение в таких областях, как:
Акустическая безэховая камера – это помещение, предназначенное для поглощения как можно большего количества звука. Стены состоят из нескольких перегородок из материала с высокой поглощающей способностью, расположенных таким образом, что часть звука, который они отражают, направляется к другой перегородке, а не обратно в комнату. Это делает камеру практически лишенной эха , что полезно для измерения уровня звукового давления источника и для различных других экспериментов и измерений.
Безэховые камеры дороги по нескольким причинам и поэтому не распространены.
Они должны быть изолированы от внешних воздействий (например, самолетов, поездов, автомобилей, снегоходов, лифтов, насосов и т. д., а также любого источника звука, который может мешать измерениям внутри камеры) и должны быть физически большими. Первый — экологическая изоляция — требует в большинстве случаев специально построенных, почти всегда массивных и столь же толстых стен, полов и потолков. Такие камеры часто строятся как изолированные помещения на пружинах внутри более крупного здания. Национальный исследовательский совет Канады располагает современной безэховой камерой и разместил в Интернете видео, в котором отмечены как эти, так и другие детали конструкции. Двери должны быть изготовлены специально, их герметизация должна быть акустически полной (без протечек по краям), тщательно организована вентиляция (если таковая имеется), а освещение выбрано бесшумным.
Второе требование частично вытекает из первого и из необходимости предотвращения реверберации внутри помещения, скажем, от испытуемого источника звука. Предотвращение эха почти всегда достигается с помощью клиньев из поглощающего пенопласта на стенах, полах и потолках, и чтобы они были эффективными на низких частотах, они должны быть физически большими; чем ниже поглощаемые частоты, тем больше они должны быть.
Поэтому безэховая камера должна быть большой, чтобы вместить эти поглотители и схемы изоляции, но при этом оставлять место для экспериментальной аппаратуры и испытуемых агрегатов.
Энергия , рассеиваемая в среде при прохождении через нее звука, аналогична энергии, рассеиваемой в электрических резисторах или в механических демпферах систем механической передачи движения. Все три эквивалентны резистивной части системы резистивных и реактивных элементов. Резистивные элементы рассеивают энергию (необратимо в тепло), а реактивные элементы накапливают и выделяют энергию (обратимо, пренебрегая малыми потерями). Реактивные части акустической среды определяются ее модулем объемного сжатия и плотностью, аналогично электрическому конденсатору и электрическому индуктору соответственно и аналогично механической пружине, прикрепленной к массе.
Обратите внимание: поскольку рассеивание зависит исключительно от резистивного элемента, оно не зависит от частоты. Однако на практике резистивный элемент меняется в зависимости от частоты. Например, вибрации большинства материалов меняют их физическую структуру и, следовательно, их физические свойства; результатом является изменение эквивалентности «сопротивления». Кроме того, в большинстве материалов цикл сжатия и разрежения демонстрирует гистерезис волн давления, который является функцией частоты, поэтому для каждого сжатия существует разрежение, и общее количество энергии, рассеиваемой из-за гистерезиса, меняется с частотой. Более того, некоторые материалы ведут себя неньютоновским образом , что приводит к изменению их вязкости в зависимости от скорости деформации сдвига, испытываемой во время сжатия и разрежения; опять же, это зависит от частоты. Газы и жидкости обычно обладают меньшим гистерезисом, чем твердые материалы (например, звуковые волны вызывают адиабатическое сжатие и разрежение) и ведут себя, главным образом, ньютоновским образом.
В совокупности резистивные и реактивные свойства акустической среды образуют акустический импеданс . Поведение звуковых волн, встречающихся в другой среде, определяется разным акустическим сопротивлением. Как и в случае с электрическими импедансами, существуют совпадения и несоответствия, и энергия будет передаваться для определенных частот (почти до 100%), тогда как для других она может в основном отражаться (опять же, до очень больших процентов).
В конструкции усилителя и громкоговорителя электрические импедансы, механические импедансы и акустические импедансы системы должны быть сбалансированы таким образом, чтобы частотная и фазовая характеристика минимально изменяли воспроизводимый звук в очень широком спектре, в то же время обеспечивая адекватные уровни звука для слушателя. Моделирование акустических систем с использованием тех же (или аналогичных) методов, давно используемых в электрических цепях, дало проектировщикам акустики новый и мощный инструмент проектирования.