میدان صوتی انتشار صدا. پارامترهای مشخص کننده میدان صوتی میدان صوتی و ویژگی های آن

فضایی که صدا در آن حرکت می کند میدان صوتی نامیده می شود. ویژگی های میدان صوتی به خطی و انرژی تقسیم می شوند.

مشخصات میدان صوتی خطی:

1. فشار صدا;

2. مخلوط کردن ذرات محیط.

3. سرعت نوسان ذرات محیط.

4. مقاومت آکوستیک محیط.

ویژگی های انرژی میدان صوتی:

1. قدرت (شدت) صدا.

1. فشار صوت فشار اضافی است که هنگام عبور صدا از یک محیط ایجاد می شود. این یک فشار اضافی به فشار ساکن در محیط است، به عنوان مثال، به فشار اتمسفر هوا. با نماد نشان داده شده است آرو بر حسب واحد اندازه گیری می شود:

P = [N/m2] = [Pa].

2. جابجایی ذرات محیط مقداری برابر با انحراف ذرات شرطی محیط از وضعیت تعادل است. با نماد نشان داده شده است L، اندازه گیری شده در متر (سانتی متر، میلی متر، کیلومتر)، L = [m].

3. سرعت ارتعاش ذرات محیط، سرعت جابجایی ذرات محیط نسبت به موقعیت تعادل تحت تأثیر موج صوتی است. با نماد نشان داده شده است توو به عنوان نسبت جابجایی محاسبه می شود Lتوسط زمان تیکه طی آن این تغییر اتفاق افتاد. با فرمول محاسبه می شود:

واحد اندازه گیری [m/s]، در واحدهای غیر سیستمی cm/s، mm/s، µm/s.

4. مقاومت آکوستیک مقاومتی است که یک محیط در برابر موج صوتی عبوری از آن ایجاد می کند. فرمول محاسبه:

واحد: [Pa s/m].

در عمل، فرمول دیگری برای تعیین امپدانس آکوستیک استفاده می شود:

Z=p*v. امپدانس آکوستیک Z،

p چگالی محیط و v سرعت موج صوتی در محیط است.

از ویژگی های انرژی، تنها یکی در پزشکی و داروسازی استفاده می شود - قدرت یا شدت صدا.

قدرت (شدت) صدا مقداری برابر با مقدار انرژی صوت است E، عبور در واحد زمان تیدر واحد سطح اس. با نماد نشان داده شده است من. فرمول محاسبه: I=E/(S t)واحدها: [J/s m2]. از آنجایی که یک ژول در ثانیه برابر با 1 وات است، پس

من = [ J/s m 2 ] = [ W/m2].

ویژگی های روانی صدا

سایکوفیزیک علم ارتباط بین تأثیرات فیزیکی عینی و احساسات ذهنی ناشی از آن است.

از دیدگاه روان شناسی، صدا حسی است که در آنالیزگر شنوایی هنگام عمل بر روی آن ایجاد می شود. ارتعاشات مکانیکی.

از نظر روانی، صدا به دو دسته تقسیم می شود:

تن ها ساده هستند.

تن ها پیچیده هستند.

لحن بیکارصدایی است مربوط به ارتعاش مکانیکی هارمونیک سینوسی با فرکانس معین. نمودار یک تن ساده - یک موج سینوسی (نگاه کنید به 3. شکل موج).

لحن پیچیده- این یک صدای متشکل از تعداد متفاوت (چندین) صدای ساده است. نمودار تن پیچیده یک منحنی غیر سینوسی تناوبی است (شکل موج 3 را ببینید).

سر و صدا -این صدای پیچیده، متشکل از تعداد زیادیصداهای ساده و پیچیده که تعداد و شدت آن ها همیشه تغییر می کند. صداهای با شدت کم (صدای باران) آرامش بخش هستند سیستم عصبی، سر و صدای با شدت بالا (عملکرد یک موتور الکتریکی قدرتمند، عملکرد حمل و نقل شهری) سیستم عصبی را خسته می کند. مبارزه با صدا یکی از وظایف آکوستیک پزشکی است.

ویژگی های روانی صدا:

زمین

حجم صدا

تن صدا

زمینیک مشخصه ذهنی فرکانس صدای قابل شنیدن است. هر چه فرکانس بالاتر باشد، ارتفاع بیشترتن.

حجم صدا -این یک ویژگی است که به فرکانس و قدرت صدا بستگی دارد. اگر قدرت صدا تغییر نکند، با افزایش فرکانس از 16 به - 1000 هرتز، صدا افزایش می یابد. در فرکانس 1000 تا 3000 هرتز، با افزایش بیشتر فرکانس، صدا کاهش می یابد و در فرکانس های بالای 16000 هرتز صدا نامفهوم می شود.

بلندی صدا (سطح بلندی صدا) با استفاده از واحدی به نام "فون" اندازه گیری می شود. بلندی صدا در پس زمینه با استفاده از جداول و نمودارهای ویژه ای به نام منحنی های ایزوآکوستیک تعیین می شود.

تن صدا- این پیچیده ترین ویژگی روانی فیزیکی صدای درک شده است. تمبر به تعداد و شدت صداهای ساده موجود در یک صدای پیچیده بستگی دارد. یک لحن ساده هیچ صدایی ندارد. هیچ واحدی برای اندازه گیری تن صدا وجود ندارد.

واحدهای لگاریتمی اندازه گیری صدا.

آزمایش‌ها نشان داده‌اند که تغییرات بزرگ در قدرت و فرکانس صدا با تغییرات جزئی در صدا و زیر و بم مطابقت دارد. از نظر ریاضی، این با این واقعیت مطابقت دارد که افزایش حس زیر و بم و حجم بر اساس آن اتفاق می افتد قوانین لگاریتمی. در این راستا، واحدهای لگاریتمی برای اندازه گیری صدا شروع به استفاده کردند. رایج ترین واحدها "بل" و "دسی بل" هستند.

بل یک واحد لگاریتمی برابر با لگاریتم اعشاری نسبت دو کمیت همگن است. اگر این کمیت ها دو شدت صدای متفاوت I 2 و I 1 باشند، می توان تعداد بلزها را با استفاده از فرمول محاسبه کرد:

N B =log (I 2 /I 1)

اگر نسبت I 2 به I 1 10 باشد، N B = 1 سفید، اگر این نسبت 100 باشد، 2 سفید، 1000 - 3 سفید. برای نسبت های دیگر، تعداد بل ها را می توان با استفاده از جداول لگاریتمی یا با استفاده از یک ریز محاسبه گر محاسبه کرد.

دسی بل یک واحد لگاریتمی برابر با یک دهم بل است.

با دسی بل نشان داده شده است. با فرمول محاسبه می شود: N dB = 10·lg (I 2 / I 1).

دسی بل واحد راحت تری برای تمرین است و بنابراین بیشتر در محاسبات استفاده می شود.

اکتاو یک واحد لگاریتمی از آکوستیک پزشکی است که برای مشخص کردن فواصل فرکانس استفاده می شود.

اکتاو یک بازه (باند) فرکانس است که در آن نسبت فرکانس بالاتر به فرکانس پایین دو است.

از نظر کمی، فاصله فرکانس در اکتاو برابر با لگاریتم دودویی نسبت دو فرکانس است:

N OCT =log 2 (f 2 /f 1). در اینجا N تعداد اکتاوها در بازه فرکانس است.

f 2، f 1 - مرزهای بازه فرکانس (فرکانس های شدید).

یک اکتاو زمانی به دست می آید که نسبت فرکانس دو باشد: f 2 / f 1 = 2.

در آکوستیک پزشکی از مرزهای فرکانس اکتاو استاندارد استفاده می شود.

در هر بازه، متوسط ​​فرکانس های اکتاو گرد داده شده است.

مرزهای فرکانس 18 - 45 هرتز با فرکانس اکتاو متوسط ​​- 31.5 هرتز مطابقت دارد.

مرزهای فرکانس 45-90 هرتز با فرکانس اکتاو متوسط ​​63 هرتز مطابقت دارد.

مرزهای 90-180 هرتز - 125 هرتز.

توالی متوسط ​​فرکانس های اکتاو در هنگام اندازه گیری حدت شنوایی فرکانس های زیر خواهد بود: 31.5، 63، 125، 250، 500، 1000، 2000، 4000، 8000 هرتز.

علاوه بر سفید، دسی بل و اکتاو این آکوستیکواحد لگاریتمی "دهه" استفاده می شود. فاصله فرکانس در دهه ها برابر است با لگاریتم اعشاری نسبت دو فرکانس شدید:

N dec =log(f 2 /f 1).

در اینجا N دهه تعداد دهه ها در بازه فرکانس است.

f 2، f 1 - مرزهای فاصله فرکانس.

یک دهه زمانی به دست می آید که نسبت فرکانس های شدید بازه برابر با ده باشد: f 2 / f 1 = 10.

از نظر مقیاس، یک دهه برابر با سفید است، اما فقط در آکوستیک و فقط برای مشخص کردن نسبت فرکانس استفاده می شود.

شرایط درک انسان از صدا

ویژگی های خطی میدان صوتی در مایعات و گازها شامل فشار صوت، جابجایی ذرات محیط، سرعت ارتعاش و مقاومت صوتی محیط است.

فشار صوت در گازها و مایعات تفاوت بین مقدار فشار لحظه ای در یک نقطه از محیط زمانی که موج صوتی از آن عبور می کند و فشار ساکن در همان نقطه است.

فشار صوت یک کمیت متناوب است: در لحظات ضخیم شدن (فشرده شدن) ذرات محیط مثبت و در لحظات نادر شدن (انبساط) محیط منفی است. این مقدار با دامنه یا مقدار موثر ارزیابی می شود. برای نوسانات سینوسی، مقدار موثر مقدار دامنه است.

فشار صوت نیرویی است که بر واحد سطح وارد می شود: در سیستم بر حسب نیوتن بر حسب اندازه گیری می شود متر مربعاین واحد پاسکال نامیده می شود و Pa نشان داده می شود. در سیستم مطلق واحدها، فشار صوت بر حسب داین بر سانتی متر مربع اندازه گیری می شود: قبلاً این واحد را میله می نامیدند. اما از آنجایی که واحد فشار اتمسفر برابر با بار نیز نامیده می شد، در زمان استانداردسازی نام "بار" با واحد فشار اتمسفر باقی ماند. در سیستم‌های ارتباطی، پخش و سیستم‌های مشابه، با فشار صوتی بیش از 100 Pa، یعنی 1000 برابر کمتر از فشار اتمسفر سروکار دارند.

جابجایی عبارت است از انحراف ذرات یک محیط از موقعیت ایستا تحت تأثیر یک موج صوتی عبوری. اگر انحراف در جهت حرکت موج رخ دهد، آنگاه به جابجایی علامت مثبت و در جهت مخالف - علامت منفی اختصاص داده می شود. جابجایی بر حسب متر (سیستم واحدها) یا سانتی متر (سیستم واحدهای مطلق) اندازه گیری می شود.

سرعت ارتعاش سرعت حرکت ذرات محیط تحت تأثیر یک موج صوتی عبوری است: جابجایی ذرات محیط کجاست. زمان

هنگامی که یک ذره متوسط ​​در جهت انتشار موج حرکت می کند، سرعت نوسان مثبت و در جهت مخالف منفی در نظر گرفته می شود. توجه داشته باشید که این سرعت را نباید با سرعت موج که برای محیط معین و شرایط انتشار موج ثابت است اشتباه گرفت.

سرعت ارتعاش بر حسب متر بر ثانیه یا سانتی متر بر ثانیه اندازه گیری می شود

مقاومت آکوستیک ویژه نسبت فشار صوت به سرعت ارتعاش است، به ویژه زمانی که فشار صدا به طور قابل توجهی کمتر از فشار استاتیک است. مقاومت آکوستیک ویژه توسط خواص محیط ماده و شرایط انتشار موج تعیین می شود (برای مقادیر مقاومت ویژه برای تعدادی از محیط ها و شرایط به جداول 1.1 و 1.2 مراجعه کنید، و شکل 1.1 وابستگی مقاومت ویژه را نشان می دهد. ارتفاع از سطح دریا در حالت کلی، مقاومت صوتی خاص کمیت پیچیده ای است که در آن اجزای فعال و واکنش پذیر مقاومت صوتی خاص (صفت "مشخص" اغلب برای اختصار حذف می شود.) بعد مقاومت صوتی خاص. در نظام و در نظام مطلق اگر معلوم باشد. مقاومتسپس از رابطه استفاده می کنند

میدان صوتی * به عنوان آن منطقه محدود از فضا که در آن یک پیام هیدروآکوستیک منتشر می شود درک می شود. میدان صوتی می تواند در هر محیط کشسانی وجود داشته باشد و نشان دهنده ارتعاشات ذرات آن است که در اثر تأثیر عوامل مزاحم خارجی ایجاد می شود. ویژگی متمایزتفاوت بین این فرآیند با هر حرکت منظم ذرات در محیط این است که برای اختلالات کوچک، انتشار امواج با انتقال خود ماده همراه نیست. به عبارت دیگر، هر ذره نسبت به موقعیتی که قبل از اغتشاش داشت، نوسان می کند.

یک محیط الاستیک ایده آل که در آن یک میدان صوتی منتشر می شود را می توان به عنوان مجموعه ای از عناصر کاملاً صلب که توسط پیوندهای الاستیک به یکدیگر متصل شده اند نشان داد (شکل 1.1). وضعیت فعلی یک ذره نوسانی این محیط با آن مشخص می شود افست Uنسبت به موقعیت تعادل، سرعت نوسانی vو فرکانستردید سرعت نوسانی توسط اولین مشتق جابجایی ذره تعیین می‌شود و یکی از ویژگی‌های مهم فرآیند مورد بررسی است. به عنوان یک قاعده، هر دو پارامتر توابع هارمونیک زمان هستند.

ذره 1 (شکل 1.1)، با مقدار جابجا شده است Uاز موقعیت تعادل خود، از طریق پیوندهای الاستیک، بر ذرات اطراف خود تأثیر می گذارد و باعث جابجایی آنها می شود. در نتیجه، یک اختلال وارد شده از خارج شروع به انتشار در رسانه مورد نظر می کند. اگر قانون تغییر در جابجایی ذرات 1 برابری تعیین می کند کجا U mدامنه نوسان ذرات است و w- فرکانس نوسانات، سپس قانون حرکت دیگران منذرات – s را می توان به شکل زیر نشان داد:

کجا تو مای- دامنه ارتعاش من- آه ذرات، y من- تغییر فاز این نوسانات. همانطور که محیط (ذرات) از منبع تحریک دور می شود 1 ) مقادیر دامنه ارتعاش تو مایبه دلیل اتلاف انرژی کاهش می یابد و تغییر فاز می شود y منبه دلیل محدود بودن سرعت انتشار تحریک، افزایش می یابد. بنابراین، تحت میدان صوتیهمچنین می تواند به عنوان مجموعه ای از ذرات نوسانی محیط درک شود.

اگر در میدان صوتی ذراتی را انتخاب کنیم که فاز نوسانی یکسانی دارند، منحنی یا سطحی به دست می آید که به آن می گویند. جبهه موج. جبهه موج دائماً با سرعت معینی از منبع اغتشاش دور می شود که به آن می گویند سرعت انتشار جبهه موج، سرعت انتشار موجیا فقط سرعت صدادر این محیط بردار سرعت مشخص شده بر سطح جبهه موج در نقطه مورد نظر عمود است و جهت را تعیین می کند. پرتو صدا، که در طول آن موج منتشر می شود. این سرعت به طور قابل توجهی به خواص محیط و وضعیت فعلی آن بستگی دارد. در مورد انتشار امواج صوتی در دریا، سرعت صوت به دمای آب، چگالی، شوری و تعدادی عوامل دیگر بستگی دارد. بنابراین، با افزایش 10 درجه سانتیگراد، سرعت صوت تقریباً 3.6 متر بر ثانیه و با افزایش عمق 10 متری، تقریباً 0.2 متر بر ثانیه افزایش می یابد. به طور متوسط، در شرایط دریایی، سرعت صوت می تواند بین 1440 تا 1585 متر بر ثانیه متغیر باشد. اگر چهارشنبه ناهمسانگرد، یعنی با داشتن خواص متفاوت در جهات مختلف از مرکز اختلال، سرعت انتشار موج صوتی نیز بسته به این خواص متفاوت خواهد بود.

به طور کلی سرعت انتشار موج صوتی در مایع یا گاز با عبارت زیر تعیین می شود:

(1.2)

کجا به- مدول الاستیسیته حجمی محیط، r 0- چگالی محیط دست نخورده، چگالی ساکن آن. مدول الاستیسیته توده ای از نظر عددی برابر با تنشی است که در تغییر شکل نسبی واحد در محیط ایجاد می شود.

موج الاستیک نامیده می شود طولی، اگر ارتعاشات ذرات مورد نظر در جهت انتشار موج رخ دهد. موج نامیده می شود عرضی،اگر ذرات در صفحات عمود بر جهت انتشار موج نوسان کنند.

امواج عرضی فقط می توانند در محیطی به وجود بیایند که شکل الاستیک دارد، یعنی. قادر به مقاومت در برابر تغییر شکل برشی فقط اجسام جامد این خاصیت را دارند. امواج طولی با تغییر شکل حجمی محیط مرتبط هستند، بنابراین می توانند در هر دو قسمت منتشر شوند. جامداتو در محیط های مایع و گاز. استثناء این قاعده است سطحیامواجی که روی سطح آزاد یک مایع یا روی سطح مشترک محیط های غیرقابل اختلاط با ویژگی های فیزیکی متفاوت تشکیل می شوند. در این مورد، ذرات مایع به طور همزمان ارتعاشات طولی و عرضی را انجام می دهند و مسیرهای بیضی یا پیچیده تر را توصیف می کنند. خواص ویژه امواج سطحی با این واقعیت توضیح داده می شود که نیروهای گرانش و کشش سطحی نقش تعیین کننده ای در شکل گیری و انتشار آنها دارند.

در طول فرآیند نوسانات در یک محیط آشفته، مناطق افزایش و کاهش فشار و چگالی نسبت به حالت تعادل ظاهر می شود. فشار جایی که مقدار آنی آن در میدان صوتی است و فشار استاتیکی محیط در صورت عدم تحریک است، نامیده می شود. صداو از نظر عددی برابر با نیرویی است که موج بر واحد سطحی که عمود بر جهت انتشار آن نصب شده است، وارد می کند. فشار صوت یکی از مهمترین مشخصه های وضعیت محیط است.

برای ارزیابی تغییرات در چگالی محیط، یک مقدار نسبی نامیده می شود مهر با، که با برابری زیر تعیین می شود:

(1.3)

کجا r 1 -مقدار آنی چگالی محیط در نقطه مورد نظر ما و r 0 -چگالی ساکن آن

تمام پارامترهای فوق را می توان با فراخوانی برخی از تابع های اسکالر تعیین کرد j پتانسیل سرعت ارتعاش.مطابق با قضیه هلمهولتز، این پتانسیل به طور کامل امواج صوتی در محیط های مایع و گاز را مشخص می کند و با سرعت نوسانی مرتبط است. vبرابری زیر:

. (1.4)

موج صوتی طولی نامیده می شود تخت، اگر پتانسیل آن باشد jو سایر کمیت های مرتبط که میدان صوتی را مشخص می کنند فقط به زمان و یکی از آنها بستگی دارد مختصات دکارتیبه عنوان مثال، X(شکل 1.2). در صورتی که مقادیر ذکر شده فقط به زمان و مسافت بستگی دارد rاز نقطه ای Oفضا نامیده می شود مرکز موج،موج صوتی طولی نامیده می شود کروی. در حالت اول، جبهه موج یک خط یا صفحه خواهد بود، در حالت دوم، یک قوس یا بخش از یک سطح کروی است.

در رسانه های الاستیک، هنگام در نظر گرفتن فرآیندها در میدان های صوتی، می توان از اصل برهم نهی استفاده کرد. بنابراین، اگر سیستمی از امواج تعیین شده توسط پتانسیل ها در یک محیط منتشر شود j 1 …j n، پس پتانسیل موج حاصل برابر با مجموع پتانسیل های نشان داده شده خواهد بود:

(1.5)

با این حال، هنگام در نظر گرفتن فرآیندها در میدان های صوتی قدرتمند، باید احتمال اثرات غیرخطی را در نظر گرفت که ممکن است استفاده از اصل برهم نهی را غیرقابل قبول کند. علاوه بر این، زمانی که سطوح بالاضربه ای که محیط را مختل می کند می تواند به طور اساسی خواص کشسانی محیط را مختل کند. بنابراین، در یک محیط مایع، شکاف های پر از هوا ممکن است ظاهر شود ساختار شیمیاییو غیره در مدل ارائه شده قبلا (شکل 1.1.) این معادل شکستن پیوندهای الاستیک بین ذرات محیط است. در این صورت انرژی صرف شده برای ایجاد ارتعاشات عملاً به لایه های دیگر منتقل نمی شود که حل مشکل عملی خاصی را غیرممکن می کند. پدیده توصیف شده نامیده می شود کاویتاسیون.

از نقطه نظر انرژی، میدان صوتی را می توان با جریان انرژی صوتییا قدرت صدا P، که با مقدار انرژی صوتی مشخص می شوند دبلیوعبور از یک سطح معین در واحد زمان:

(1.6)

قدرت صدا در هر منطقه سسطح مورد نظر تعیین می کند شدتموج صوتی:

(1.7) در آخرین عبارت فرض می شود که انرژی به طور یکنواخت در محل توزیع می شود س.

این مفهوم اغلب برای توصیف محیط صدا استفاده می شود چگالی انرژی صوتی، که به عنوان مقدار انرژی صوتی در واحد حجم یک محیط کشسان تعریف می شود.

بیایید رابطه بین پارامترهای فردی میدان صوتی را بررسی کنیم.

1.3 معادله تداوم محیط

معادله پیوستگی یک محیط، پتانسیل سرعت و تراکم آن را به هم متصل می کند. در صورت عدم وجود ناپیوستگی در محیط، قانون بقای جرم اتفاق می افتد که می توان آن را به شکل زیر نوشت:

کجا W 1و r 1– حجم و چگالی مایع در میدان صوتی و W 0و r 0- پارامترهای یکسان در صورت عدم وجود اختلال. این قانون می گوید که در یک محیط خطی پیوسته، تغییر حجم باعث چنان تغییری در چگالی محیط می شود که حاصلضرب آنها، مطابق با جرم حجم مورد نظر، همیشه ثابت می ماند.

برای اینکه تراکم محیط را در نظر بگیریم، حاصلضرب را از سمت چپ و راست برابری (8/1) کم می کنیم. W 0 r 1. در نتیجه خواهیم داشت:

(1.9)

در اینجا پذیرفته شده است که این فرض به دلیل این واقعیت است که در محدوده فرکانس اولتراسونیک تغییرات حجم و چگالی مایع نسبت به مقدار مطلق آنها ناچیز است و جایگزینی مقادیر در مخرج برابری (1.9) r 1در r 0عملاً هیچ تأثیری بر نتیجه تجزیه و تحلیل ندارد.

اجازه دهید ρ 1= 1.02 گرم بر سانتی متر 3، a ρ 0 = 1.0 گرم بر سانتی متر مکعب. سپس

الف . خطای نسبیمفروضات پذیرفته شده است
.

نسبی را بیان کنیم تغییر شکل حجمیمحیط، که با سمت چپ برابری (1.9)، از طریق جابجایی های جزئی ذرات مایع نشان داده می شود و در نظر بگیرید که سمت راستبرابری مشخص شده فشردگی محیط را تعیین می کند. سپس خواهیم داشت:

(1.10)

کجا U x، U yو اوز- جابجایی ذرات متوسط ​​در امتداد محورهای مربوط به سیستم مختصات متعامد.

اجازه دهید آخرین برابری را با توجه به زمان متمایز کنیم:

اینجا v x، v yو v z- اجزای سرعت نوسانی در امتداد همان محورها. با توجه به اینکه

(1.12)

(1.13) که در آن с عملگر همیلتون است که تمایز فضایی را تعریف می کند:

(1.14)

مهم!

الف من، جو کبردارهای واحد سیستم مختصات متعامد انتخاب شده هستند. بنابراین، مشتق تراکم محیط نسبت به زمان برابر با مشتق دوم با توجه به مختصات فضایی پتانسیل سرعت است که با علامت مخالف گرفته شده است.

معادله حرکت نوسانی

معادله حرکت نوسانی پتانسیل سرعت و فشار صوت را به هم مرتبط می کند. برای به دست آوردن این معادله، در میدان صوتی یک حجم ابتدایی را انتخاب می کنیم که در امتداد محور نوسان می کند. اوه(شکل 1.3.) مطابق با قانون نیوتن، می توانیم بنویسیم:

(1.15)

کجا F –نیرویی که بر حجم انتخاب شده در جهت محور وارد می شود اوه,

متر- جرم یک حجم معین، j- شتاب حرکت حجم در امتداد همان محور . اگر فشارهای وارد بر لبه حجم انتخاب شده را به عنوان نشان دهیم ص 1و ص 2و بپذیرید که >، سپس قدرت افرا می توان با برابری زیر تعریف کرد:

(1.16)

کجا

جایگزینی عبارت (1.16) به برابری (1.15) و در نظر گرفتن آن و شتاب و همچنین با انجام گذار محدود کننده به کمیت های بی نهایت کوچک، متوجه می شویم:

(1.17)

با در نظر گرفتن اینکه و در نهایت دریافت می کنیم:

. (1.18)

آخرین معادله شامل مختصات نیست و بنابراین برای موجی با هر شکلی معتبر است.

معادله حالت محیط

معادله حالت محیط در رابطه با میدان مافوق صوت که در آن همه فرآیندها عملاً بدون تغییر دما اتفاق می‌افتند، رابطه بین فشار و چگالی محیط را بیان می‌کند. در یک سیال ایده آل که در آن نیروهای اصطکاک ویسکوز وجود ندارد، فشار صوت است rمتناسب با سفتی محیط بهو فشردگی آن ج: با این حال، اگر محیط واقعی باشد، نیروهای اصطکاک چسبناکی در آن وجود دارد که بزرگی آن متناسب با ویسکوزیته محیط و سرعت تغییر در حالت محیط، به ویژه سرعت تغییر در آن است. فشرده سازی بنابراین، عبارت تعیین کننده فشار در یک محیط چسبناک بسته به عوامل مشخص شده، یک جزء به دست می آورد:

(1.19)

که در آن L ضریب تناسب است. در نتیجه آزمایش‌ها، تخمینی از این ضریب پیدا شد که اجازه می‌دهد عبارت نهایی که وضعیت محیط را تعریف می‌کند به شکل زیر نوشته شود:

(1.20) که در آن h ضریب ویسکوزیته دینامیکی (نیوتنی) محیط است. معادله به دست آمده برای هر شکل موجی معتبر است.

معادله موج

معادله موج قانون تغییر پتانسیل سرعت را تعیین می کند. برای به دست آوردن این معادله، عبارت (1.20) را برای حالت محیط با برابری (1.18) جایگزین می کنیم. در نتیجه دریافت می کنیم:

(1.21)

برای نمایش تراکم محیط از طریق پتانسیل سرعت، عبارت (1.21) را با توجه به زمان متمایز می کنیم:

(1.22)

با در نظر گرفتن وابستگی (1.13) که از شرط تداوم محیط و برابری (1.2) به دست می آید، معادله موج مورد نظر را به شکل نهایی می نویسیم:

(1.23)

اگر موج مسطح باشد و مثلاً در امتداد محور منتشر شود اوه، پس پتانسیل سرعت فقط به مختصات بستگی دارد Xو زمان در این حالت، معادله موج شکل ساده تری به خود می گیرد:

(1.24) با حل معادلات به دست آمده، می توان قانون تغییر پتانسیل سرعت و در نتیجه هر پارامتری که میدان صوتی را مشخص می کند، پیدا کرد.

تجزیه و تحلیل پارامترهای اصلی میدان صوتی

اجازه دهید ابتدا پارامترهای مشخص کننده یک موج هارمونیک صفحه را تعیین کنیم. برای این کار جوابی برای معادله (24/1) پیدا می کنیم که خطی است معادله دیفرانسیلمرتبه دوم و بنابراین دارای دو ریشه است. ریشه های نشان داده شده نشان دهنده دو فرآیند هستند j 1 (x,t)و j2 (x,t)، تعریف امواجی که در جهت مخالف منتشر می شوند. در یک محیط همسانگرد، پارامترهای میدان صوتی در نقاطی با فاصله مساوی از منبع تابش یکسان است، که به ما اجازه می دهد تا خود را به یافتن تنها یک راه حل محدود کنیم، به عنوان مثال، برای یک موج. j 1، در جهت مثبت محور منتشر می شود اوه.

از آنجایی که راه حل خاص مشخص شده تابعی از مختصات و زمان جاری است، آن را به شکل زیر جستجو می کنیم:

کجا - فرکانس موج، متر- ضریب مورد نیاز که وابستگی پتانسیل سرعت را به مختصات مکانی تعیین می کند. - عدد موج، . محاسبه مشتقات لازم از j 1و با جایگزینی آنها به معادله (1.24)، در می یابیم:

(1.26) حل آخرین برابری با توجه به مترو با در نظر گرفتن این که موجی که با فاصله از منبع اغتشاش تحلیل می‌رود با مقدار منفی مطابقت دارد، خواهیم داشت:

(1.27)

در یک میدان اولتراسونیک، عبارت دوم در براکت های بیان (1.27) به طور قابل توجهی کمتر از وحدت است، که به ما امکان می دهد این عبارت را به یک سری قدرت گسترش دهیم، و خود را به دو عبارت محدود کنیم:

(1.28)

جایگزینی مقدار یافت شده متربه برابری (1.25) و معرفی نماد

(1.29)

بیایید عبارت نهایی را برای پتانسیل سرعت پیدا کنیم j 1:

راه حل خاص برای پتانسیل j 2را می توان مشابه مورد مورد نظر یافت:

اجازه دهید از عبارات به دست آمده برای تعیین پارامترهای اصلی میدان صوتی استفاده کنیم.

فشار صوت در ناحیه انتشار موج مثبت با برابری زیر تعیین می شود:

(1.32)

کجا .

اگر به برابری (1.4) روی آوریم و در نظر بگیریم که در میدان اولتراسونیک >> الف، سپس عبارت سرعت نوسانی را می توان به شکل زیر نوشت:

کجا عبارات به دست آمده نشان می دهد که تغییرات در مقادیر فعلی فشار صوت و سرعت ارتعاش در فاز رخ می دهد، در نتیجه در مکان هایی که محیط فشرده می شود، بردار سرعت ارتعاش در جهت با سرعت انتشار منطبق می شود. جبهه موج، و در مکان های نادر مخالف آن است.

اجازه دهید نسبت فشار صوت و سرعت ارتعاش را پیدا کنیم که به آن می گویند مقاومت صوتی خاص:

(1.34)

مقاومت صوتی خاص یک مشخصه مهم یک محیط است که بر پارامترهای زیادی از فرآیندهای رخ داده در آن تأثیر می گذارد.

انتشار امواج صوتی

هنگام ایجاد دستگاه های هیدروآکوستیک، یکی از مهمترین وظایفاست انتخاب درستپارامترهای تابش: فرکانس حامل سیگنال ارسالی، روش مدولاسیون سیگنال و ویژگی های انرژی آن. دامنه انتشار موج، ویژگی های بازتاب و عبور آن از رابط های مختلف بین رسانه های مختلف خواص فیزیکی، توانایی جداسازی سیگنال از نویز همراه.

همانطور که در بالا ذکر شد، یکی از ویژگی های اصلی انرژی یک سیگنال هیدروآکوستیک، شدت آن است. عبارت تعریف کننده این پارامتر را می توان از ملاحظات زیر یافت. اجازه دهید بخش ابتدایی جبهه موج را با یک مساحت در نظر بگیریم که در حالی که نوسان دارد، نسبت به موقعیت اولیهبا مقدار این جابجایی توسط نیروها خنثی خواهد شد تعامل داخلی کار برای غلبه بر این نیروها صرف می شود.

(1.35)

کجا تی- دوره موج به نوبه خود، شدت توسط قدرت صرف شده برای حرکت تعیین می شود مجردمساحت جبهه موج و در نتیجه برابر با:

(1.36)

با جایگزینی برابری های (1.32) و (1.33) در عبارت حاصل، متوجه می شویم:

با توجه به اینکه 0.5 - شدت سیگنال در مجاورت امیتر، سپس قانون تغییر شدت با فاصله از منبع با برابری زیر تعیین می شود:

(1.38)

آخرین فرمول توسط استوکس فیزیکدان و ریاضیدان انگلیسی به دست آمده و نام او را یدک می کشد. این نشان می دهد که با دور شدن از منبع تابش، شدت موج صوتی به طور تصاعدی کاهش می یابد. علاوه بر این، همانطور که از عبارت (1.29)، شاخص تضعیف آمده است الفمتناسب با مجذور فرکانس نوسان موج ساطع شده است. این محدودیت‌های خاصی را در انتخاب فرکانس‌های حامل پیام‌ها اعمال می‌کند، به‌ویژه در هنگام سنجش از راه دور.

با این حال، با استفاده از فرمول استوکس، همیشه نمی توان تخمین درستی از فرآیند تضعیف امواج صوتی به دست آورد. بنابراین، آزمایش‌ها نشان می‌دهند که امواج صوتی در محیط دریایی بسیار سریع‌تر از آنچه از عبارت بالا برمی‌آید ضعیف می‌شوند. این پدیده به دلیل تفاوت بین خصوصیات محیط واقعی و محیط ایده آل است که معمولاً هنگام حل مسائل نظری در نظر گرفته می شود و همچنین به دلیل این واقعیت است که محیط دریایی یک مایع ناهمگن از جمله موجودات زنده، حباب های هوا و سایر ناخالصی ها است.

در عمل، معمولاً از فرمول های تجربی مختلفی برای تعیین قانون تغییر در شدت موج صوتی استفاده می شود. بنابراین، برای مثال، با فرکانس های آن در محدوده 7.5 - 60 کیلوهرتز، مقدار ضریب الفبر حسب دسی بل در هر کیلومتر (dB/km) را می توان با استفاده از رابطه زیر تخمین زد:

, (1.39)

و قانون شدت تغییر در فواصل از ویبراتور که بیش از 200 کیلومتر نیست، با خطای تا 10٪ با برابری تعیین می شود:

(1.40)

در مورد موج کروی، شدت

. (1.41)

از عبارت آخر چنین بر می آید که موج به دلیل انبساط جلوی آن با افزایش فاصله تا حد زیادی ضعیف می شود. r.

یک موج اولتراسونیک، زمانی که در یک محیط همسانگرد همگن حرکت می کند، به صورت مستقیم پخش می شود. با این حال، اگر محیط ناهمگن باشد، مسیر پرتو صوت خم می شود و تحت شرایط خاصی سیگنال می تواند از لایه های میانی منعکس شود. محیط آبی. پدیده انحنای پرتوهای صوتی به دلیل ناهمگونی محیط دریایی نامیده می شود شکست صدا. شکست صدا می تواند تأثیر قابل توجهی بر دقت اندازه گیری های هیدروآکوستیک داشته باشد، بنابراین درجه تأثیر آن در بیشتر موارد باید ارزیابی شود.

هنگامی که یک پرتو به سمت پایین منتشر می شود، معمولاً از سه منطقه در طول مسیر خود عبور می کند: یک منطقه سطحی همدما (دارای دمای ثابت)، یک منطقه پرش دما، که با گرادیان دمایی منفی شدید مشخص می شود، و یک منطقه نزدیک منطقه همدما پایین (شکل 1.4). ضخامت ناحیه ضربه می تواند چندین ده متر باشد. هنگامی که یک موج صوتی از لایه شوک عبور می کند، شکست قوی و کاهش قابل توجهی در شدت صدا مشاهده می شود. کاهش شدت به دلیل واگرایی پرتوها به دلیل شکست شدید در مرز بالایی لایه شوک و همچنین انعکاس آنها از این لایه است. پرتوهای شدید پرتو شکافته، ناحیه ای از سایه صدا را تشکیل می دهند.

شکل 1.4.

تغییر در چگالی محیط دریایی و دمای آن شرایطی را برای ظهور موجبرهای صوتی ایجاد می کند. آنها لایه های افقی آب هستند که سرعت انتشار صوت در امتداد آنها حداقل است و به سمت حاشیه افزایش می یابد. این منجر به انعکاس موج از لایه های آب دور از محور می شود که در نتیجه شروع به انتشار در امتداد محور موجبر در فواصل قابل توجه می کند. چنین انتشار موج فوق العاده دوربرد می تواند برای حل برخی از مشکلات خاص استفاده شود. هنگامی که چندین موج صوتی در یک محیط منتشر می شود، در نتیجه اضافه شدن آنها، شدت موج صوتی حاصل در نقاط خاصی از میدان افزایش می یابد و در برخی دیگر کاهش می یابد. این پدیده نامیده می شود تداخل ارتعاشات صوتی. نوسانات تداخلی می توانند دامنه، فرکانس و فازهای متفاوتی داشته باشند. با برخورد معمولی پرتو صوت در سطح مشترک بین دو رسانه، که مقاومت های صوتی آنها به شدت متفاوت است، می تواند

بوجود می آیند ایستادهموج یکی از ویژگی های موج ایستاده این است که تمام نقاط آن با یک فاز نوسان می کنند و در فواصلی معادل یک چهارم طول موج نوسان تشکیل می دهند، پادگره هایی که دامنه نوسان در آنها حداکثر است و گره هایی که اصلاً نوسانی در آنها وجود ندارد. . یک موج ایستاده عملاً هیچ انرژی منتقل نمی کند.

انعکاس و شکست امواج صوتی

هنگامی که موجی روی سطح مشترک بین دو رسانه می افتد، ذرات محیط متعلق به این مرز برانگیخته می شوند. به نوبه خود، نوسانات ذرات مرزی باعث ایجاد فرآیندهای موجی، هم در محیط موج فرودی و هم در محیط مجاور آن می شود. موج اول نامیده می شود منعکس شده استو دومی – شکست. زوایای و (شکل 1.5) بین حالت عادی به سطح مشترک و جهت پرتوها را زاویه می نامند می افتد،
بازتاب هاو انکساربه ترتیب طبق قوانین دکارت، برابری های زیر صورت می گیرد:

(1.42)

اگر چندین رابط بین رسانه ها در طول مسیر انتشار پرتو مشاهده شود، برابری درست خواهد بود:

(1.43)

کمیت نامیده می شود اسنل ثابت است. مقدار آن در طول پرتو صدا تغییر نمی کند.

روابط انرژی در پرتوهای برخوردی، بازتابی و شکسته شده با استفاده از ضرایب تعیین می شود الفو درانعکاس و شکست به ترتیب. این ضرایب با برابری های زیر تعیین می شوند:

(1.44)

می توان نشان داد که در رسانه هایی با مقاومت آکوستیک یکسان، انرژی صوت به طور کامل از یک رسانه به رسانه دیگر منتقل می شود. اگر تفاوت زیادی در مقاومت صوتی رسانه وجود داشته باشد، تقریباً تمام انرژی فرودی از سطح مشترک بین رسانه منعکس می شود.

الگوهای در نظر گرفته شده در صورتی انجام می شوند که ابعاد سطح بازتاب از طول موج تابش فرودی بیشتر شود. اگر طول موج آن بزرگتر از اندازه سطح بازتابنده باشد، به عنوان یک قاعده، موج تا حدی از مانع منعکس می شود (پراکنده) و تا حدی در اطراف آن خم می شود. پدیده خم شدن موج به دور یک مانع نامیده می شود پراش صدا. پراش در اجسامی که ابعاد آنها از طول موج نوسان بیشتر است نیز رخ می دهد، اما در این حالت این پدیده فقط در لبه های سطح بازتابنده ظاهر می شود. یک ناحیه سایه آکوستیک در پشت مانع تشکیل می شود که در آن هیچ ارتعاش صوتی وجود ندارد. در عین حال، در مقابل یک مانع، الگوی میدان صوتی به دلیل برهمکنش امواج فرود، بازتابیده و پراش پیچیده‌تر می‌شود. یک موج صوتی را می توان از اجسام متعدد پراکنده در آن منعکس کرد آب دریامانند حباب های هوا، پلانکتون ها، ذرات مواد جامد شناور و غیره. در این حالت سیگنال منعکس شده را سیگنال می نامند طنین حجمی. در لحظه ارسال سیگنال توسط گیرنده تابش به عنوان یک پژواک نوسانی درک می شود. در ابتدا، این اکو می تواند سطح نسبتاً بالایی داشته باشد و سپس به سرعت محو می شود.

طنین می تواند به دلیل پراکندگی صدا توسط سطوح مسطح که دارای بی نظمی های کوچک در مقایسه با طول موج هستند، رخ دهد. اغلب چنین سطوحی کف یا سطح دریا هستند. این طنین نامیده می شود پایینیا سطحیبه ترتیب

. اصول اولیه صدای هیدروآکوستیک

تقریباً تمام دستگاه های ناوبری هیدروآکوستیک مورد استفاده در ناوگان حمل و نقل در حالت سنجش فعال فضای آب عمل می کنند. توسعه دستگاه هایی که این حالت را اجرا می کنند به موارد زیر نیاز دارد:

§ تعیین الزامات کاوشگر تشعشع بر اساس محتوای مشکل در حال حل.

§ تعیین الزامات دریافت و ارسال آنتن.

تجزیه و تحلیل شرایط انتشار سیگنال کاوشگر و ارزیابی ماهیت سیگنال دریافتی.

§ توسعه الزامات برای بلوک های ورودی سیستم که تبدیل اولیه سیگنال دریافتی را انجام می دهند.

§ تعیین ترکیب مسیر دریافت، که اطلاعات اولیه را به شکل لازم برای نمایش یا استفاده بیشتر توسط سایر دستگاه ها یا سیستم ها تبدیل می کند.

§ تعیین ترکیب دستگاه های نمایش و ضبط اطلاعات.

§ تدوین الزامات سیگنال خروجی یک دستگاه هیدروآکوستیک از سایر دستگاه هایی که با آن کار می کنند.

همانطور که در بالا گفته شد، تابش کاوشگر می تواند پیوسته یا پالسی باشد. تابش مداوم در همان دامنه سیگنال دارای بالاترین توان متوسط ​​است که می تواند یک مزیت تعیین کننده در هنگام کاوش در مناطق کاملاً دور از منبع تابش باشد. میانگین توان بالاتر سیگنال ساطع شده نه تنها باعث افزایش سطح سیگنال منعکس شده دریافتی می شود، بلکه اغلب از پدیده کاویتاسیون نیز جلوگیری می کند. اغلب از این نوع تابش در سیستم های داپلر برای اندازه گیری سرعت کشتی استفاده می شود.

در صورت نیاز به اندازه گیری فاصله تا اجسام بازتابنده، ابتدا باید تابش پیوسته به روش خاصی مدوله شود. انتخاب صحیح روش مدولاسیون و پردازش سیگنال دریافتی به شما امکان می دهد دقیق ترین سیستم های اندازه گیری را ایجاد کنید. با این حال، باید در نظر گرفت که در مورد مورد بررسی، سیگنال دریافتی، به عنوان یک قاعده، با تداخل بسیار قابل توجهی ناشی از طنین حجمی همراه است.

تشعشع پالس با شکل پالس، مدت زمان آن مشخص می شود تی و(شکل 1.6)، فرکانس یا دوره تکرار پالس. اغلب از پالس های مستطیلی استفاده می شود (شکل 1.6.a) که بیشترین اشباع انرژی را دارند. در گذشته نه چندان دور، فرم نمایی به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می گرفت (شکل 2.6، ب) به دلیل این واقعیت که اجرای آن از نظر فنی آسان تر بود. حل مشکلات فردی ممکن است نیاز به ایجاد انگیزه های بیشتری داشته باشد شکل پیچیدهپاکت های آنها

مدت زمان نبض است ارزش عالی، از آنجایی که همراه با دامنه خود، توان موجود در آن و در نتیجه حداکثر محدوده سنجش را تعیین می کند. علاوه بر این، وضوح برد به مدت زمان پالس بستگی دارد، یعنی. حداقل اختلاف بردی که می تواند توسط سیستم اندازه گیری شود. در واقع، با توجه به این واقعیت که پالس حامل اطلاعات واحد است، کلیه تغییرات محدوده در محدوده مکانی آن توسط سیستم ثبت نمی شود. با توجه به اینکه پالس دو برابر مسافت را طی می کند - تا بازتابنده و عقب، وضوح سیستم برابر با نصف طول فضایی پالس خواهد بود:

(1.45)

در عمل، مدت زمان پالس اغلب در محدوده 10-5 قرار دارد باتا 10 -3 با.

نرخ تکرار پالس معمولاً به گونه‌ای انتخاب می‌شود که در هر محدوده عملیاتی، پالس بعدی تنها پس از دریافت پالس منعکس شده منتشر شود. به عبارت دیگر دوره t pدنباله پالس باید نابرابری را برآورده کند: کجا - حداکثر محدوده سنجش در محدوده عملیاتی، - سرعت متوسطصدا در آب معمولا برابر با 1500 گرفته می شود m/c. این رویکرد شرایطی را برای استفاده از یک آنتن به عنوان آنتن گیرنده و فرستنده ایجاد می کند. در برخی موارد، نرخ تکرار پالس ممکن است بر اساس ملاحظات دیگری انتخاب شود.

هنگام ایجاد الزامات برای سیگنال کاوشگر، انتخاب صحیح فرکانس حامل تابش بسیار مهم است. تضعیف سیگنال، انعکاس آن از رابط بین رسانه ها و اشیاء مختلف، و همچنین مسیر جبهه موج تا حد زیادی به آن بستگی دارد. کاهش فرکانس حامل، به عنوان یک قاعده، نیاز به افزایش اندازه دستگاه های آنتن دارد، اما به افزایش محدوده سنجش کمک می کند.

تدوین الزامات اساسی برای سیستم آنتن، ضروری است:

§ تعیین تعداد آنتن ها و طرح قرارگیری آنها در کشتی.

§ بهترین درجه جهت تابش را انتخاب کنید.

§ نوع عنصری که انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی و بالعکس تبدیل می کند و همچنین نوع آنتن را انتخاب کنید.

§ تعیین روش نصب آنتن روی کشتی.

تعداد آنتن های مورد استفاده و طرح قرارگیری آنها با توجه به ماهیت مشکل حل شده و همچنین وجود یا عدم وجود افزونگی آنها به منظور افزایش قابلیت اطمینان سیستم تعیین می شود. هر آنتن را می توان به طور مستقل روی کشتی نصب کرد یا همه آنتن ها را می توان در یک واحد آنتن که معمولاً در کلینکر نصب می شود ترکیب کرد. چنین بلوکی می تواند حاوی 20 آنتن یا بیشتر باشد که در این مورد به طور مناسب تر ویبراتور نامیده می شوند.

درجه مورد نیاز جهت تابش نیز بر اساس ماهیت مشکل حل شده تعیین می شود.

ویبره های فرومغناطیسی و پیزوسرامیک به عنوان مبدل انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی و برگشتی استفاده می شوند که در ادامه به اصل عملکرد آنها پرداخته می شود.

خصوصیات عمومیآنتن های ارسال و دریافت

مبدل های فرومغناطیسی انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی از اثر مغناطیسی استفاده می کنند. ماهیت این اثر این است که هنگام تغییر حالت مغناطیسیمحصولات ساخته شده از مواد فرومغناطیسی، مقداری تغییر در ابعاد آن رخ می دهد. نمونه تغییر شکل می‌دهد و این تغییر شکل با افزایش شدت مغناطیسی آن افزایش می‌یابد. اگر یک هسته میله ای را به عنوان نمونه برداریم، آن را به سیم پیچ مجهز کرده و به آن نیرو دهید جریان متناوب، سپس طول هسته به صورت دوره ای تغییر می کند. انرژی الکتریکیکه صرف مغناطش شدن آن می شود، به انرژی ارتعاشی مکانیکی تبدیل می شود که قادر به برانگیختن میدان صوتی در محیط الاستیکی است که میله مورد نظر در آن قرار دارد.

اثر معکوس نیز وجود دارد. اگر هسته از یک ماده فرومغناطیسی با مقداری مغناطیس باقیمانده ساخته شده باشد، کمی تغییر شکل می دهد، یعنی. تنش درونی او را تغییر دهید، سپس تنش تغییر خواهد کرد میدان مغناطیسیبا آن مرتبط است. در این صورت تغییر میدان مغناطیسی ناشی از

زمیدان صوتی خود را به شکل انرژی جنبشی اجسام نوسانی مواد، امواج صوتی در محیط هایی با ساختار کشسان (جامدات، مایعات و گازها) نشان می دهد. فرآیند انتشار ارتعاشات در یک محیط الاستیک نامیده می شود موج. جهت انتشار موج صوتی نامیده می شود پرتو صداو سطحی که تمام نقاط مجاور میدان را با همان فاز نوسان ذرات محیط به هم وصل می کند جبهه موج. در جامدات، ارتعاشات می توانند در هر دو جهت طولی و عرضی منتشر شوند. آنها فقط در هوا پخش می شوند امواج طولی.

میدان صوتی رایگانمیدانی نامیده می شود که در آن موج صوتی مستقیم غالب است و امواج منعکس شده وجود ندارند یا به میزان ناچیزی کوچک هستند.

میدان صوتی پراکنده- این میدانی است که در هر نقطه چگالی انرژی صوتی یکسان است و در تمام جهات آن جریانهای انرژی یکسانی در واحد زمان منتشر می شود.

امواج صوتی با پارامترهای اساسی زیر مشخص می شوند.

طول موج- برابر با نسبت سرعت صوت (340 متر بر ثانیه در هوا) به فرکانس ارتعاشات صوت. بنابراین، طول موج در هوا می تواند از 1.7 سانتی متر متغیر باشد (برای f= 20000 هرتز) تا 21 متر (برای f= 16 هرتز).

فشار صدا- به عنوان تفاوت بین فشار لحظه ای میدان صوتی در یک نقطه معین و فشار آماری (اتمسفر) تعریف می شود. فشار صوت بر حسب پاسکال (Pa)، Pa = N/m2 اندازه گیری می شود. آنالوگ های فیزیکی - ولتاژ الکتریکی، جریان.

شدت صدا- مقدار متوسط ​​انرژی صوتی که در واحد زمان از یک واحد سطح عمود بر جهت انتشار موج عبور می کند. شدت در واحدهای W/m2 اندازه گیری می شود و مؤلفه فعال قدرت ارتعاشات صوتی را نشان می دهد. آنالوگ فیزیکی توان الکتریکی است.

در آکوستیک، نتایج اندازه گیری معمولاً به صورت واحدهای لگاریتمی نسبی نمایش داده می شود. برای ارزیابی حس شنوایی از واحدی به نام بل (B) استفاده می شود. از آنجایی که Bel یک واحد نسبتاً بزرگ است، مقدار کوچکتری معرفی شد - دسی بل (dB) برابر با 0.1 B.

فشار و شدت صوت در سطوح نسبی آکوستیک بیان می شود:

,

مقادیر صفر سطوح آکوستیک به طور کلی پذیرفته شده است و W/m 2 در هارمونیک لرزش صدافرکانس 1000 هرتز مقادیر داده شده تقریباً با حداقل مقادیر ایجاد کننده احساسات شنوایی (آستانه شنوایی مطلق) مطابقت دارد.

شرایط اندازه گیری مشخصات میکروفوناندازه گیری های صوتی دارای تعدادی ویژگی خاص هستند. بنابراین، اندازه گیری برخی از ویژگی های تجهیزات الکتروآکوستیک باید در شرایط میدان آزاد انجام شود، به عنوان مثال. زمانی که هیچ امواج بازتابی وجود ندارد.

در اماکن معمولی این شرط نمی تواند برآورده شود و اندازه گیری ها باید در آن انجام شود در فضای بازدشوار و همیشه ممکن نیست. اولاً، در خارج از منزل، اجتناب از انعکاس از سطوحی مانند زمین دشوار است. ثانیاً، اندازه‌گیری‌ها در این مورد به شرایط جوی (باد و غیره) بستگی دارد و می‌تواند منجر به خطاهای بزرگی شود، نه اینکه به تعدادی از ناراحتی‌های دیگر اشاره کنیم. ثالثاً، در هوای آزاد اجتناب از تأثیر نویزهای خارجی (صنعتی و غیره) دشوار است.

بنابراین، برای انجام اندازه‌گیری‌ها در یک میدان آزاد، از محفظه‌های ویژه ضعیف‌شده صدا استفاده می‌شود که در آن امواج منعکس شده عملاً وجود ندارند.

اندازه‌گیری ویژگی‌های میکروفون در یک محفظه آنکوئیک. برای اندازه گیری حساسیت یک میکروفون میدان آزاد، ابتدا فشار صدا را در نقطه ای که میکروفون مورد آزمایش قرار می گیرد اندازه گیری کرد و سپس آن را در آن نقطه قرار داد. اما از آنجایی که عملاً هیچ تداخلی در محفظه وجود ندارد و فاصله میکروفون از بلندگو برابر با 1 - 1.5 متر (یا بیشتر) با قطر امیتر بیش از 25 سانتی متر است، میکروفون اندازه گیری را می توان نزدیک قرار داد. به میکروفون تحت آزمایش نمودار تنظیم اندازه گیری در شکل 4 نشان داده شده است. حساسیت در کل محدوده فرکانس اسمی تعیین می شود. با تنظیم فشار مورد نیاز با استفاده از فشارسنج صدا (صوت سنج)، ولتاژ ایجاد شده توسط میکروفون مورد آزمایش را اندازه گیری کرده و حساسیت محوری آن را تعیین کنید.

E O.C. = U م /پ( mV/Pa)

حساسیت یا با ولتاژ مدار باز یا با ولتاژ در بار نامی تعیین می شود. به عنوان یک قاعده، ماژول مقاومت داخلی یک میکروفون در فرکانس 1000 هرتز به عنوان بار نامی در نظر گرفته می شود.

شکل 4.نمودار عملکردی اندازه گیری حساسیت میکروفون:

1 - تون یا تولید کننده نویز سفید؛ 2 - فیلتر اکتاو (اکتاو یک سوم); 3 - تقویت کننده؛ 4 - محفظه آنکوئیک; 5 – امیتر آکوستیک 6 - میکروفون در حال آزمایش; 7 - میکروفون اندازه گیری; 8 - میلی ولت متر; 9 - میلی ولت متر، مدرج پاسکال یا دسی بل (صوت سنج).

سطح حساسیتحساسیتی است که در دسی بل نسبت به مقداری برابر با 1 بیان می شود.

سطح حساسیت استاندارد (در دسی بل) به عنوان نسبت ولتاژ ایجاد شده در مقاومت بار اسمی در فشار صوتی 1 Pa به ولتاژ مربوط به توان = 1 میلی وات تعریف می شود و با استفاده از فرمول محاسبه می شود:

ولتاژ (V) که توسط میکروفون در مقاومت بار اسمی (اهم) در فشار صوتی 1 Pa ایجاد می‌شود، کجاست.

پاسخ فرکانسحساسیت میکروفون وابستگی حساسیت میکروفون به فرکانس در مقادیر ثابت فشار صدا و جریان تغذیه میکروفون است. پاسخ فرکانسی با تغییر هموار فرکانس ژنراتور اندازه گیری می شود. بر اساس پاسخ فرکانسی به دست آمده، ناهمواری آن در محدوده فرکانس اسمی و عملیاتی مشخص می شود.

ویژگی های جهتمیکروفون طبق همان طرح حذف می شود (شکل 4)، و بسته به کار، یا در چندین فرکانس، با استفاده از یک مولد صدا، یا برای سیگنال نویز در یک سوم باندهای اکتاو، یا برای یک باند فرکانسی معین، استفاده از فیلتر باند گذر مربوطه به جای فیلترهای یک سوم اکتاو.

برای اندازه گیری ویژگی های جهت، میکروفون مورد آزمایش بر روی یک دیسک چرخان با یک شماره گیری نصب می شود. دیسک به صورت دستی یا خودکار و همزمان با جدول ضبط می چرخد. مشخصه در یک صفحه که از محور کار میکروفون عبور می کند گرفته می شود، اگر بدنه چرخشی حول محور آن باشد. برای سایر اشکال میکروفون، مشخصه برای صفحات معینی که از محور کار عبور می کنند، گرفته می شود. زاویه چرخش بین محور کار و جهت به سمت منبع صدا اندازه گیری می شود. مشخصه جهت پذیری نسبت به حساسیت محوری نرمال شده است.

میدان صوتی ناحیه‌ای از فضا است که در آن امواج صوتی منتشر می‌شوند، یعنی ارتعاشات صوتی ذرات یک محیط کشسان (جامد، مایع یا گاز) که این ناحیه را پر می‌کنند. مفهوم میدان صوتی معمولاً برای مناطقی که ابعاد آنها به ترتیب یا بزرگتر از طول موج صوتی است استفاده می شود.

در بخش انرژی، میدان صوتی با چگالی انرژی صوتی (انرژی فرآیند نوسانی در واحد حجم) و شدت صدا مشخص می شود.

سطح جسمی که ارتعاش می‌کند، ساطع کننده (منبع) انرژی صوتی است که یک میدان صوتی ایجاد می‌کند.

میدان آکوستیکمنطقه یک محیط الاستیک نامیده می شود که وسیله ای برای انتقال امواج صوتی است. میدان صوتی با موارد زیر مشخص می شود:

· فشار صدا ص sv، Pa;

· مقاومت صوتی z A، Pa*s/m.

ویژگی های انرژی میدان صوتی عبارتند از:

· شدت I، W/m2;

· قدرت صدا W, W مقدار انرژی است که در واحد زمان از سطح اطراف منبع صدا عبور می کند.

نقش مهمی در شکل گیری میدان آکوستیک ایفا می کند مشخصه جهت دار بودن انتشار صدا F، یعنی توزیع فضایی زاویه ای فشار صوتی ایجاد شده در اطراف منبع

همه این کمیت ها به هم مرتبط هستند و به ویژگی های محیطی که صدا در آن منتشر می شود بستگی دارد.

اگر میدان صوتی محدود به سطح نباشد و تقریباً تا بی نهایت گسترش یابد، چنین میدانی را میدان آکوستیک آزاد می نامند.

در یک فضای محدود (مثلاً در داخل خانه)، انتشار امواج صوتی به هندسه و خواص صوتی سطوح واقع در مسیر امواج بستگی دارد.

فرآیند تشکیل میدان صوتی در یک اتاق با پدیده ها همراه است طنینو انتشار.

اگر یک منبع صدا در اتاق شروع به کار کند، در اولین لحظه از زمان فقط صدای مستقیم داریم. هنگامی که موج به سد بازتاب صدا می رسد، الگوی میدان به دلیل ظهور امواج منعکس شده تغییر می کند. اگر جسمی که ابعاد آن نسبت به طول موج صوتی کوچک است در میدان صوتی قرار گیرد، عملاً هیچ اعوجاجی در میدان صوتی مشاهده نمی شود. برای بازتاب موثرلازم است که ابعاد مانع بازتابی بزرگتر یا مساوی طول موج صوتی باشد.

میدان صوتی که در آن رخ می دهد تعداد زیادیامواج منعکس شده از در جهات مختلف، که در نتیجه چگالی ویژه انرژی صوتی در سراسر میدان یکسان است، نامیده می شود میدان پراکنده

پس از توقف انتشار صدا از منبع، شدت آکوستیک میدان صوتی کاهش می یابد سطح صفربرای زمان بی نهایت در عمل، زمانی که شدت صدا به 10 و 6 برابر سطح موجود در لحظه خاموش شدن کاهش یابد، به طور کامل ضعیف می شود. هر میدان صوتی به عنوان عنصری از یک محیط ارتعاشی، ویژگی تضعیف صدا خود را دارد - طنین("پس از صدا").