В акустике поглощение относится к процессу, посредством которого материал, структура или объект поглощает звуковую энергию при столкновении со звуковыми волнами , в отличие от отражения энергии. Часть поглощенной энергии преобразуется в тепло , а часть передается через поглощающее тело. Говорят, что энергия, преобразованная в тепло, «потеряна » . [1]
Когда звук из громкоговорителя сталкивается со стенами комнаты, часть энергии звука отражается обратно в комнату, часть передается через стены, а часть поглощается стенами. Так же, как акустическая энергия передавалась через воздух в виде перепадов давления (или деформаций), акустическая энергия проходит через материал, из которого сделана стена, таким же образом. Деформация вызывает механические потери посредством преобразования части звуковой энергии в тепло, что приводит к акустическому затуханию , в основном из-за вязкости стены . Аналогичные механизмы затухания применяются для воздуха и любой другой среды, через которую распространяется звук.
Доля поглощенного звука регулируется 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 волновые явления, такие как стоячие волны и дифракция .
Акустическое поглощение представляет особый интерес в звукоизоляции . Звукоизоляция направлена на поглощение как можно большего количества звуковой энергии (часто на определенных частотах), преобразуя ее в тепло или передавая ее из определенного места. [3]
В целом, мягкие, податливые или пористые материалы (например, ткани) служат хорошими акустическими изоляторами, поглощая большую часть звука, тогда как плотные, твердые, непроницаемые материалы (например, металлы) отражают большую часть звука.
Насколько хорошо помещение поглощает звук, количественно определяется эффективной площадью поглощения стен, также называемой общей площадью поглощения. Она рассчитывается с использованием его размеров и коэффициентов поглощения стен. [4] Общее поглощение выражается в сэбинах и полезно, например, для определения времени реверберации аудиторий . Коэффициенты поглощения можно измерить с помощью реверберационной комнаты , которая является противоположностью безэховой камеры (см. ниже) .
Акустическое поглощение имеет решающее значение в таких областях, как:
Акустическая безэховая камера — это помещение, предназначенное для поглощения как можно большего количества звука. Стены состоят из ряда перегородок с высокопоглощающим материалом, расположенных таким образом, что часть звука, которую они отражают, направляется к другой перегородке, а не обратно в помещение. Это делает помещение практически лишенным 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 получили распространения.
Они должны быть изолированы от внешних воздействий (например, самолетов, поездов, автомобилей, снегоходов, лифтов, насосов, ...; на самом деле любого источника звука, который может помешать измерениям внутри камеры), и они должны быть физически большими. Первое, изоляция от окружающей среды, требует в большинстве случаев специально сконструированных, почти всегда массивных и также толстых стен, полов и потолков. Такие камеры часто строятся как изолированные комнаты с пружинными опорами внутри большого здания. Национальный исследовательский совет в Канаде имеет современную безэховую камеру и разместил в Интернете видео, отмечая эти и другие конструктивные детали. Двери должны быть специально изготовлены, герметизация для них должна быть акустически полной (без утечек по краям), вентиляция (если есть) тщательно отрегулирована, а освещение выбрано бесшумным.
Второе требование отчасти вытекает из первого и из необходимости предотвращения реверберации внутри помещения, например, от тестируемого источника звука. Предотвращение эха почти всегда осуществляется с помощью поглощающих пенопластовых клиньев на стенах, полу и потолке, и если они должны быть 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 устройств.
Энергия, рассеиваемая в среде при прохождении звука через нее, аналогична энергии, рассеиваемой в электрических резисторах , или энергии, рассеиваемой в механических демпферах для систем механической передачи движения. Все три эквивалентны резистивной части системы резистивных и реактивных элементов. Резистивные элементы рассеивают энергию (необратимо в тепло), а реактивные элементы хранят и высвобождают энергию (обратимо, пренебрегая малыми потерями). Реактивные части акустической среды определяются ее объемным модулем и ее плотностью, аналогично соответственно электрическому конденсатору и электрическому индуктору , и аналогично соответственно механической пружине, прикрепленной к массе.
Обратите внимание, что поскольку рассеивание 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; результатом является изменение эквивалентности «сопротивления». Кроме того, цикл сжатия и разрежения демонстрирует гистерезис волн давления в большинстве материалов, который является функцией частоты, поэтому для каждого сжатия существует разрежение, и общее количество энергии, рассеиваемой из-за гистерезиса, изменяется с частотой. Кроме 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 демонстрируют меньший гистерезис, чем твердые материалы (например, звуковые волны вызывают адиабатическое сжатие и разрежение) и ведут себя в основном ньютоновским образом.
В совокупности резистивные и реактивные свойства акустической среды образуют акустический импеданс . Поведение звуковых волн, сталкивающихся с другой средой, определяется различными акустическими импедансами. Как и в случае с электрическими импедансами, существуют совпадения и несовпадения, 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 в наименьшей степени изменял воспроизводимый звук в очень широком спектре, при этом обеспечивая адекватные уровни звука для слушателя. Моделирование акустических систем с использованием тех же (или похожих) методов, которые давно используются в электрических цепях, дало акустическим дизайнерам новый и мощный инструмент проектирования.