Ձայնային դաշտ. Ձայնի տարածում. Ձայնային դաշտը բնութագրող պարամետրեր Ձայնային դաշտը և դրա բնութագրերը

Այն տարածությունը, որով անցնում է ձայնը, կոչվում է ձայնային դաշտ: Ձայնային դաշտի բնութագրերը բաժանվում են գծային և էներգիայի։

Գծային ձայնային դաշտի բնութագրերը.

1. ձայնային ճնշում;

2. միջավայրի մասնիկների խառնում;

3. միջավայրի մասնիկների տատանման արագությունը.

4. շրջակա միջավայրի ակուստիկ դիմադրություն;

Ձայնային դաշտի էներգետիկ բնութագրերը.

1. ձայնի ուժ (ինտենսիվություն).

1. Ձայնային ճնշումը լրացուցիչ ճնշումն է, որն առաջանում է, երբ ձայնն անցնում է միջավայրի միջով: Դա լրացուցիչ ճնշում է միջավայրի ստատիկ ճնշմանը, օրինակ՝ օդի մթնոլորտային ճնշմանը։ Նշվում է խորհրդանիշով Ռև չափվում է միավորներով.

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

2. Միջավայրի մասնիկների տեղաշարժը արժեք է, որը հավասար է միջավայրի պայմանական մասնիկների հավասարակշռության դիրքից շեղմանը։ Նշվում է խորհրդանիշով Լ, չափված մետրերով (սմ, մմ, կմ), L = [մ]:

3. Միջավայրի մասնիկների թրթռման արագությունը ձայնային ալիքի ազդեցության տակ միջավայրի մասնիկների տեղաշարժի արագությունն է հավասարակշռության դիրքի նկատմամբ։ Նշվում է խորհրդանիշով uև հաշվարկվում է որպես տեղաշարժի հարաբերակցություն Լժամանակով տորի ընթացքում տեղի ունեցավ այս տեղաշարժը: Հաշվարկվում է բանաձևով.

Չափման միավոր [մ/վ], ոչ համակարգային միավորներով սմ/վ, մմ/վ, մկմ/վ:

4. Ակուստիկ դիմադրությունն այն դիմադրությունն է, որը միջավայրն ապահովում է իր միջով անցնող ակուստիկ ալիքին: Հաշվարկի բանաձև.

Միավոր՝ [Pa s/m]:

Գործնականում ակուստիկ դիմադրության որոշման համար օգտագործվում է մեկ այլ բանաձև.

Z=p*v. Z-ակուստիկ դիմադրություն,

p-ը միջավայրի խտությունն է, v-ն միջավայրում ձայնային ալիքի արագությունն է։

Էներգետիկ բնութագրերից միայն մեկն է օգտագործվում բժշկության և դեղագործության մեջ՝ ձայնի ուժգնությունը կամ ինտենսիվությունը։

Ձայնի ուժգնությունը (ինտենսիվությունը) ձայնի էներգիայի քանակին հավասար արժեք է Ե, անցնելով մեկ միավորի ժամանակ տմեկ միավորի մակերեսով Ս. Նշվում է խորհրդանիշով Ի. Հաշվարկի բանաձև. I=E/(S t)Միավորներ՝ [J/s m2]: Քանի որ Ջուլը վայրկյանում հավասար է 1 Վատ, ուրեմն

ես = [Ջ/վ մ 2 ] = [ W/m2]:

Ձայնի հոգեֆիզիկական բնութագրերը.

Հոգեֆիզիկան օբյեկտիվ ֆիզիկական ազդեցությունների և դրանից բխող սուբյեկտիվ սենսացիաների միջև կապի գիտությունն է:

Հոգեֆիզիկայի տեսանկյունից ձայնը սենսացիա է, որն առաջանում է լսողական անալիզատորում, երբ գործում է: մեխանիկական թրթռումներ.

Հոգեֆիզիկական առումով ձայնը բաժանվում է.

Հնչյունները պարզ են.

Հնչյունները բարդ են;

Պարապ տոնորոշակի հաճախականության սինուսոիդային ներդաշնակ մեխանիկական թրթիռին համապատասխանող ձայն է։ Պարզ տոնի գրաֆիկ՝ սինուսային ալիք (տես 3. Ալիքի ձև):

Բարդ տոն- սա ձայն է, որը բաղկացած է տարբեր (բազմաթիվ) թվով պարզ հնչերանգներից: Տոնային բարդ գրաֆիկը պարբերական ոչ սինուսոիդային կոր է (տես 3. Ալիքի ձև):

Աղմուկ -Սա բարդ ձայն, բաղկացած մեծ թվովպարզ և բարդ հնչերանգներ, որոնց քանակն ու ինտենսիվությունը անընդհատ փոխվում է: Ցածր ինտենսիվության ձայները (անձրևի ձայնը) հանգստացնող են նյարդային համակարգ, բարձր ինտենսիվության աղմուկը (հզոր էլեկտրական շարժիչի շահագործումը, քաղաքային տրանսպորտի շահագործումը) հոգնում է նյարդային համակարգը։ Աղմուկի դեմ պայքարը բժշկական ակուստիկայի խնդիրներից մեկն է։

Ձայնի հոգեֆիզիկական բնութագրերը.

սկիպիդար

Ձայնի ծավալը

Ձայնային տեմբր

սկիպիդարլսելի ձայնի հաճախականության սուբյեկտիվ բնութագիրն է։ Որքան բարձր է հաճախականությունը, այնքան ավելի շատ բարձրությունհնչերանգներ.

Ձայնի ծավալը -Սա հատկանիշ է, որը կախված է ձայնի հաճախականությունից և ուժգնությունից: Եթե ​​ձայնի ուժգնությունը չի փոխվում, ապա հաճախականության 16-ից - 1000 Հց աճի դեպքում ձայնը մեծանում է: 1000-ից 3000 Հց հաճախականության դեպքում այն ​​մնում է անփոփոխ՝ հաճախականության հետագա աճով, ձայնը նվազում է, իսկ 16000 Հց-ից բարձր հաճախականությունների դեպքում ձայնը դառնում է անլսելի:

Բարձրության բարձրությունը (բարձրության մակարդակը) չափվում է «ֆոն» կոչվող միավորի միջոցով: Ֆոնի բարձրությունը որոշվում է հատուկ աղյուսակների և գրաֆիկների միջոցով, որոնք կոչվում են «իզոակուստիկ կորեր»:

Ձայնային տեմբր- սա ընկալվող ձայնի ամենաբարդ հոգեֆիզիկական բնութագիրն է: Տեմբրը կախված է բարդ ձայնի մեջ ներառված պարզ հնչերանգների քանակից և ինտենսիվությունից: Պարզ տոնը տեմբր չունի: Ձայնի տեմբրը չափելու միավորներ չկան։

Ձայնի չափումների լոգարիթմական միավորներ.

Փորձերը պարզել են, որ ձայնի ուժգնության և հաճախականության մեծ փոփոխությունները համապատասխանում են ծավալի և բարձրության փոքր փոփոխություններին: Մաթեմատիկորեն դա համապատասխանում է այն փաստին, որ բարձրության և ծավալի զգացողության աճը տեղի է ունենում ըստ լոգարիթմական օրենքներ. Այս առումով ձայնի չափումների համար սկսեցին օգտագործվել լոգարիթմական միավորներ։ Ամենատարածված միավորներն են «bel» և «decibel»:

Բելը լոգարիթմական միավոր է, որը հավասար է երկու միատարր մեծությունների հարաբերակցության տասնորդական լոգարիթմին։ Եթե ​​այս մեծությունները երկու տարբեր ձայնային ինտենսիվություններ են I 2 և I 1, ապա զանգերի քանակը կարող է հաշվարկվել բանաձևով.

N B =log(I 2 /I 1)

Եթե ​​I 2-ի և I 1-ի հարաբերակցությունը 10 է, ապա N B = 1 սպիտակ, եթե այս հարաբերակցությունը 100 է, ապա 2 սպիտակ, 1000 - 3 սպիտակ: Այլ հարաբերակցությունների համար գոտիների քանակը կարող է հաշվարկվել լոգարիթմական աղյուսակների կամ միկրոհաշվարկի միջոցով:

Դեցիբելը լոգարիթմական միավոր է, որը հավասար է բելի տասներորդին:

Նշվում է դԲ-ով: Հաշվարկվում է բանաձևով՝ N dB =10·lg(I 2 /I 1):

Դեցիբելը պրակտիկայի համար ավելի հարմար միավոր է և, հետևաբար, ավելի հաճախ օգտագործվում է հաշվարկներում:

Օկտավանը բժշկական ակուստիկայի լոգարիթմական միավոր է, որն օգտագործվում է հաճախականությունների միջակայքերը բնութագրելու համար։

Օկտավանը հաճախականությունների այն միջակայքն է (տիրույթ), որտեղ ավելի բարձր հաճախականության և ցածր հաճախականության հարաբերակցությունը երկու է:

Քանակականորեն հաճախականության միջակայքը օկտավայում հավասար է երկու հաճախականությունների հարաբերակցության երկուական լոգարիթմին.

N OCT =log 2 (f 2 /f 1): Այստեղ N-ն օկտավաների թիվն է հաճախականության միջակայքում;

f 2, f 1 - հաճախականության միջակայքի սահմանները (ծայրահեղ հաճախականություններ):

Մեկ օկտավա է ստացվում, երբ հաճախականության հարաբերակցությունը երկու է՝ f 2 / f 1 =2:

Բժշկական ակուստիկայում օգտագործվում են օկտավայի հաճախականության ստանդարտ սահմաններ։

Յուրաքանչյուր միջակայքում տրվում են միջին կլորացված օկտավային հաճախականություններ:

18 - 45 Հց հաճախականության սահմանները համապատասխանում են օկտավայի միջին հաճախականությանը - 31,5 Հց;

45-90 Հց հաճախականության սահմանները համապատասխանում են միջին օկտավայի հաճախականությանը 63 Հց;

սահմանները 90-180 Հց - 125 Հց:

Լսողության սրությունը չափելիս միջին օկտավայի հաճախականությունների հաջորդականությունը կլինի հետևյալ հաճախականությունները՝ 31,5, 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Հց:

Բացի սպիտակից, դեցիբելից և օկտավայից ակուստիկաՕգտագործվում է «տասնամյակ» լոգարիթմական միավորը։ Հաճախականության միջակայքը տասնամյակներով հավասար է երկու ծայրահեղ հաճախականությունների հարաբերակցության տասնորդական լոգարիթմին.

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

Այստեղ N տասնամյակները հաճախականությունների միջակայքում տասնամյակների թիվն է.

f 2, f 1 - հաճախականության միջակայքի սահմանները:

Մեկ տասնամյակ է ստացվում, երբ միջակայքի ծայրահեղ հաճախականությունների հարաբերակցությունը հավասար է տասի՝ f 2 / f 1 = 10:

Սանդղակի առումով տասնամյակը հավասար է սպիտակի, բայց օգտագործվում է միայն ակուստիկայի մեջ և միայն հաճախականության հարաբերակցությունը բնութագրելու համար։

Ձայնի մարդու ընկալման պայմանները.

Հեղուկների և գազերի ձայնային դաշտի գծային բնութագրերը ներառում են ձայնային ճնշում, միջին մասնիկների տեղաշարժ, թրթռման արագություն և միջավայրի ակուստիկ դիմադրություն:

Ձայնային ճնշումը գազերում և հեղուկներում ակնթարթային ճնշման արժեքի տարբերությունն է միջավայրի այն կետում, երբ դրա միջով ձայնային ալիք է անցնում, և նույն կետում ստատիկ ճնշման միջև, այսինքն.

Ձայնային ճնշումը փոփոխական մեծություն է՝ միջավայրի մասնիկների խտացման (կծկման) պահերին այն դրական է, միջավայրի հազվադեպացման (ընդլայնման) պահին՝ բացասական։ Այս արժեքը գնահատվում է ամպլիտուդով կամ արդյունավետ արժեքով: Սինուսոիդային տատանումների համար արդյունավետ արժեքը ամպլիտուդի արժեքն է:

Ձայնային ճնշումը միավոր մակերեսի վրա ազդող ուժն է: Համակարգում այն ​​չափվում է նյուտոններով քառակուսի մետրԱյս միավորը կոչվում է պասկալ և նշվում է Pa: Միավորների բացարձակ համակարգում ձայնային ճնշումը չափվում է դիններով մեկ քառակուսի սանտիմետրով: Նախկինում այս միավորը կոչվում էր բար: Բայց քանի որ մթնոլորտային ճնշման միավորը, որը հավասար է , կոչվում էր նաև բար, ստանդարտացման ժամանակ «բար» անվանումը մնաց մթնոլորտային ճնշման միավորի հետ։ Կապի համակարգերում, հեռարձակման և նմանատիպ համակարգերում դրանք գործ ունեն 100 Պա-ից ոչ ավելի ձայնային ճնշման հետ, այսինքն՝ 1000 անգամ ավելի քիչ, քան մթնոլորտային ճնշումը:

Տեղաշարժը միջավայրի մասնիկների շեղումն է ստատիկ դիրքից անցնող ձայնային ալիքի ազդեցության տակ։ Եթե ​​շեղումը տեղի է ունենում ալիքի շարժման ուղղությամբ, ապա տեղաշարժին նշանակվում է դրական նշան, իսկ հակառակ ուղղությամբ՝ բացասական նշան։ Տեղաշարժը չափվում է մետրերով (միավորների համակարգ) կամ սանտիմետրերով (բացարձակ միավորների համակարգ):

Տատանումների արագությունը միջավայրի մասնիկների շարժման արագությունն է անցնող ձայնային ալիքի ազդեցության տակ. որտեղ է միջավայրի մասնիկների տեղաշարժը. ժամանակ.

Երբ միջին մասնիկը շարժվում է ալիքի տարածման ուղղությամբ, տատանման արագությունը համարվում է դրական, իսկ հակառակ ուղղությամբ՝ բացասական։ Նշենք, որ այս արագությունը չպետք է շփոթել ալիքի արագության հետ, որը հաստատուն է տվյալ միջավայրի և ալիքի տարածման պայմանների համար։

Թրթռման արագությունը չափվում է վայրկյանում մետրերով կամ սանտիմետրերով

Հատուկ ակուստիկ դիմադրությունը ձայնային ճնշման և թրթռման արագության հարաբերակցությունն է: Հատուկ ակուստիկ դիմադրությունը որոշվում է նյութական միջավայրի հատկություններով և ալիքի տարածման պայմաններով (տես § Աղյուսակներ 1.1 և 1.2 մի շարք միջավայրերի և պայմանների հատուկ դիմադրության արժեքների համար, իսկ Նկար 1.1-ը ցույց է տալիս հատուկ դիմադրության կախվածությունը: Բարձրությունը ծովի մակարդակից Ընդհանուր դեպքում, հատուկ ակուստիկ դիմադրությունը բարդ մեծություն է, որտեղ հատուկ ակուստիկ դիմադրության ակտիվ և ռեակտիվ բաղադրիչները հաճախ բաց են թողնում հակիրճության համար: համակարգում և բացարձակ համակարգում Եթե հայտնի է. դիմադրողականությունհետո նրանք օգտագործում են հարաբերությունները

Ձայնային * դաշտը հասկացվում է որպես տարածության այն սահմանափակ տարածք, որում տարածվում է հիդրոակուստիկ հաղորդագրություն: Ձայնային դաշտը կարող է գոյություն ունենալ ցանկացած առաձգական միջավայրում և ներկայացնում է իր մասնիկների թրթռումները, որոնք առաջանում են արտաքին անհանգստացնող գործոնների ազդեցությամբ: Տարբերակիչ հատկանիշԱյս գործընթացի և միջավայրում մասնիկների ցանկացած այլ պատվիրված շարժման միջև տարբերությունն այն է, որ փոքր խանգարումների դեպքում ալիքների տարածումը կապված չէ հենց նյութի փոխանցման հետ: Այլ կերպ ասած, յուրաքանչյուր մասնիկ տատանվում է այն դիրքի համեմատ, որը զբաղեցնում էր մինչ խանգարումը:

Իդեալական առաձգական միջավայրը, որտեղ ձայնային դաշտը տարածվում է, կարող է ներկայացվել որպես առաձգական կապերով միմյանց հետ կապված բացարձակ կոշտ տարրերի մի շարք (նկ. 1.1): Այս միջավայրի տատանվող մասնիկի ներկայիս վիճակը բնութագրվում է նրա օֆսեթ Uհավասարակշռության դիրքի համեմատ, տատանողական արագություն vԵվ հաճախականությունըերկմտանք. Տատանողական արագությունը որոշվում է մասնիկների տեղաշարժի առաջին անգամ ածանցյալով և հանդիսանում է դիտարկվող գործընթացի կարևոր բնութագիրը: Որպես կանոն, երկու պարամետրերն էլ ժամանակի ներդաշնակ ֆունկցիաներ են։

Մասնիկ 1 (նկ. 1.1), տեղափոխված քանակով Uիր հավասարակշռության դիրքից՝ առաձգական կապերի միջոցով, այն ազդում է իրեն շրջապատող մասնիկների վրա՝ առաջացնելով դրանք նաև տեղաշարժեր։ Արդյունքում, դրսից բերված խանգարումը սկսում է տարածվել դիտարկվող միջավայրում։ Եթե ​​մասնիկների տեղաշարժի փոփոխության օրենքը 1 որոշվում է հավասարությամբ Որտեղ Հըմմասնիկների տատանման ամպլիտուդն է, և w- տատանումների հաճախականությունը, ապա ուրիշների շարժման օրենքը ես– s մասնիկները կարող են ներկայացվել հետևյալ ձևով.

Որտեղ U mi- թրթռման ամպլիտուդ ես- Օ՜, մասնիկներ, y i- այս տատանումների փուլային տեղաշարժը: Քանի որ միջավայրը (մասնիկները) հեռանում են գրգռման աղբյուրից 1 ) թրթռման ամպլիտուդի արժեքները U miէներգիայի ցրման պատճառով կնվազի, և փուլային տեղաշարժերը y iգրգռման տարածման սահմանափակ արագության պատճառով այն մեծանում է։ Այսպիսով, տակ ձայնային դաշտկարելի է հասկանալ նաև որպես միջավայրի տատանվող մասնիկների հավաքածու։

Եթե ​​ձայնային դաշտում մենք ընտրում ենք մասնիկներ, որոնք ունեն նույն տատանման փուլը, մենք ստանում ենք կոր կամ մակերես, որը կոչվում է. ալիքի ճակատ. Ալիքի ճակատը որոշակի արագությամբ անընդհատ հեռանում է խանգարման աղբյուրից, որը կոչվում է ալիքի ճակատի տարածման արագություն, ալիքի տարածման արագությունկամ պարզապես ձայնի արագությունայս միջավայրում։ Նշված արագության վեկտորը խնդրո առարկա կետում ուղղահայաց է ալիքի ճակատի մակերեսին և որոշում է ուղղությունը. ձայնային ճառագայթ, որի երկայնքով տարածվում է ալիքը։ Այս արագությունը զգալիորեն կախված է միջավայրի հատկություններից և ներկա վիճակից: Ծովում ձայնային ալիքների տարածման դեպքում ձայնի արագությունը կախված է ջրի ջերմաստիճանից, խտությունից, աղիությունից և մի շարք այլ գործոններից։ Այսպիսով, ջերմաստիճանի 1 0 C-ով բարձրացման դեպքում ձայնի արագությունը մեծանում է մոտավորապես 3,6 մ/վրկ-ով, իսկ խորության 10 մ-ով ավելանում է մոտավորապես 0,2 մ/վ: Միջին հաշվով, ծովային պայմաններում ձայնի արագությունը կարող է տատանվել 1440 – 1585 մ/վ: Եթե ​​չորեքշաբթի անիզոտրոպ, այսինքն. ունենալով տարբեր հատկություններ անկարգության կենտրոնից տարբեր ուղղություններով, ապա ձայնային ալիքի տարածման արագությունը նույնպես տարբեր կլինի՝ կախված այս հատկություններից։

Ընդհանուր առմամբ, հեղուկի կամ գազի մեջ ձայնային ալիքի տարածման արագությունը որոշվում է հետևյալ արտահայտությամբ.

(1.2)

Որտեղ TO- միջավայրի ծավալային առաձգականության մոդուլ, r 0– չխախտված միջավայրի խտությունը, նրա ստատիկ խտությունը: Զանգվածային առաձգականության մոդուլը թվայինորեն հավասար է այն լարմանը, որն առաջանում է միջավայրում իր միավորի հարաբերական դեֆորմացման դեպքում:

Էլաստիկ ալիքը կոչվում է երկայնական, եթե խնդրո առարկա մասնիկների թրթռումները տեղի են ունենում ալիքի տարածման ուղղությամբ։ Ալիքը կոչվում է լայնակի,եթե մասնիկները տատանվում են ալիքի տարածման ուղղությանը ուղղահայաց հարթություններում։

Լայնակի ալիքները կարող են առաջանալ միայն այն միջավայրում, որն ունի առաձգական ձև, այսինքն. կարող է դիմակայել կտրվածքի դեֆորմացիային: Այս հատկությունն ունեն միայն պինդ մարմինները: Երկայնական ալիքները կապված են միջավայրի ծավալային դեֆորմացիայի հետ, ուստի դրանք կարող են տարածվել և՛ պինդ նյութերև հեղուկ և գազային միջավայրերում։ Այս կանոնից բացառություն է մակերեսայինալիքներ, որոնք ձևավորվել են հեղուկի ազատ մակերևույթի կամ տարբեր ֆիզիկական բնութագրերով չխառնվող միջավայրերի միջերեսների վրա: Այս դեպքում հեղուկ մասնիկները միաժամանակ կատարում են երկայնական և լայնակի թրթռումներ՝ նկարագրելով էլիպսաձև կամ ավելի բարդ հետագծեր։ Մակերեւութային ալիքների հատուկ հատկությունները բացատրվում են նրանով, որ ձգողականության ուժերը և մակերևութային լարվածությունը որոշիչ դեր են խաղում դրանց ձևավորման և տարածման գործում։

Խանգարված միջավայրում տատանումների գործընթացում առաջանում են ավելացած և նվազող ճնշման և խտության գոտիներ՝ կապված հավասարակշռության վիճակի հետ։ Ճնշում որտեղ է նրա ակնթարթային արժեքը ձայնային դաշտում, և միջավայրի ստատիկ ճնշումը գրգռման բացակայության դեպքում, կոչվում է. ձայնև թվայինորեն հավասար է այն ուժին, որով ալիքը գործում է իր տարածման ուղղությանը ուղղահայաց տեղադրված միավոր մակերեսի վրա։ Ձայնային ճնշումը շրջակա միջավայրի վիճակի ամենակարևոր բնութագրիչներից է:

Միջավայրի խտության փոփոխությունները գնահատելու համար օգտագործվում է հարաբերական արժեք, որը կոչվում է կնքել հետ, որը որոշվում է հետևյալ հավասարությամբ.

(1.3)

Որտեղ r 1 -մեզ հետաքրքրող կետում միջավայրի խտության ակնթարթային արժեքը և r 0 -դրա ստատիկ խտությունը.

Վերոհիշյալ բոլոր պարամետրերը կարող են որոշվել, եթե կանչվի սկալյար ֆունկցիա թրթռման արագության պոտենցիալ j.Հելմհոլցի թեորեմի համաձայն՝ այս պոտենցիալը լիովին բնութագրում է ակուստիկ ալիքները հեղուկ և գազային միջավայրերում և կապված է տատանողական արագության հետ։ vհետևյալ հավասարությունը.

. (1.4)

Երկայնական ձայնային ալիքը կոչվում է հարթ, եթե դրա ներուժը ժև ձայնային դաշտը բնութագրող այլ հարակից մեծությունները կախված են միայն ժամանակից և դրանցից մեկից Դեկարտյան կոորդինատները, Օրինակ, X(նկ. 1.2): Եթե ​​նշված քանակությունները կախված են միայն ժամանակից և հեռավորությունից rինչ-որ պահից Օկոչված տարածություն ալիքի կենտրոնը,երկայնական ձայնային ալիքը կոչվում է գնդաձեւ. Առաջին դեպքում ալիքի ճակատը կլինի գիծ կամ հարթություն, երկրորդում՝ գնդաձեւ մակերեսի աղեղ կամ հատված։

Էլաստիկ միջավայրում ձայնային դաշտերում գործընթացները դիտարկելիս կարող է օգտագործվել սուպերպոզիցիայի սկզբունքը։ Այսպիսով, եթե պոտենցիալներով որոշված ​​ալիքների համակարգը տարածվում է միջավայրում j 1 …j n, ապա ստացված ալիքի պոտենցիալը հավասար կլինի նշված պոտենցիալների գումարին.

(1.5)

Այնուամենայնիվ, հզոր ձայնային դաշտերում գործընթացները դիտարկելիս պետք է հաշվի առնել ոչ գծային էֆեկտների հնարավորությունը, որը կարող է անընդունելի դարձնել սուպերպոզիցիոն սկզբունքի օգտագործումը: Բացի այդ, երբ բարձր մակարդակներՇրջակա միջավայրը խաթարող ազդեցությունը կարող է արմատապես խաթարել շրջակա միջավայրի առաձգական հատկությունները: Այսպիսով, հեղուկ միջավայրում կարող են հայտնվել օդով լցված բացեր և դրա քիմիական կառուցվածքըև այլն: Նախկինում ներկայացված մոդելում (նկ. 1.1.) դա համարժեք կլինի միջավայրի մասնիկների միջև առաձգական կապերի խզմանը: Այս դեպքում թրթռումներ ստեղծելու վրա ծախսվող էներգիան գործնականում չի փոխանցվի այլ շերտեր, ինչը անհնարին կդարձնի կոնկրետ գործնական խնդիր լուծելը։ Նկարագրված երեւույթը կոչվում է կավիտացիա.

Էներգետիկ տեսանկյունից ձայնային դաշտը կարող է բնութագրվել ձայնային էներգիայի հոսքկամ ձայնային հզորություն Պ, որոնք որոշվում են ձայնային էներգիայի քանակով Վանցնելով տվյալ մակերեսով մեկ միավոր ժամանակում.

(1.6)

Ձայնի հզորությունը մեկ տարածքի համար սդիտարկվող մակերեսը, որոշում ինտենսիվությունըձայնային ալիք.

(1.7) Վերջին արտահայտության մեջ ենթադրվում է, որ էներգիան տեղամասում բաշխվում է միատեսակ ս.

Հայեցակարգը հաճախ օգտագործվում է ձայնային միջավայրը բնութագրելու համար ձայնային էներգիայի խտությունը, որը սահմանվում է որպես առաձգական միջավայրի մեկ միավորի ձայնային էներգիայի քանակություն։

Եկեք ուսումնասիրենք ձայնային դաշտի առանձին պարամետրերի միջև կապը:

1.3 Միջավայրի շարունակականության հավասարումը

Միջավայրի շարունակականության հավասարումը կապում է արագության ներուժը և դրա խտացումը: Միջավայրում ընդհատումների բացակայության դեպքում տեղի է ունենում զանգվածի պահպանման օրենքը, որը կարելի է գրել հետևյալ ձևով.

Որտեղ W 1Եվ r 1– ձայնային դաշտում հեղուկի ծավալը և խտությունը, և W 0Եվ r 0- նույն պարամետրերը խանգարումների բացակայության դեպքում: Այս օրենքը ասում է, որ շարունակական գծային միջավայրում ծավալի փոփոխությունն առաջացնում է միջավայրի խտության այնպիսի փոփոխություն, որ դրանց արտադրյալը, որը համապատասխանում է դիտարկվող ծավալի զանգվածին, միշտ մնում է հաստատուն։

Միջավայրի խտացումը հաշվի առնելու համար հավասարության (1.8) ձախ և աջ կողմերից հանում ենք արտադրյալը. W 0 r 1. Արդյունքում կունենանք.

(1.9)

Այստեղ ընդունված է, որ Այս ենթադրությունը հնարավոր է այն պատճառով, որ ուլտրաձայնային հաճախականության տիրույթում հեղուկի ծավալի և խտության տատանումները աննշան են՝ կապված դրանց բացարձակ արժեքի և հավասարության հայտարարի քանակների փոխարինման հետ (1.9): r 1վրա r 0գործնականում չի ազդում վերլուծության արդյունքի վրա:

Թող ρ 1= 1,02 գ/սմ 3, ա ρ 0 = 1,0 գ/սմ3: Հետո

Ա . Հարաբերական սխալընդունված ենթադրություններն են
.

Արտահայտենք հարազատը ծավալային դեֆորմացիամիջավայրը, որը ներկայացված է հավասարության ձախ կողմով (1.9), հեղուկ մասնիկների մասնակի տեղաշարժերի միջոցով և հաշվի առնել, որ աջ կողմըՆշված հավասարությունը որոշում է միջավայրի սեղմումը: Այնուհետև կունենանք.

(1.10)

Որտեղ U x, U yԵվ Ուզ- միջին մասնիկների տեղաշարժը ուղղանկյուն կոորդինատային համակարգի համապատասխան առանցքների երկայնքով.

Տարբերակենք վերջին հավասարությունը ժամանակի նկատմամբ.

Այստեղ v x, v yԵվ v z– նույն առանցքների երկայնքով տատանողական արագության բաղադրիչները: Հաշվի առնելով դա

(1.12)

(1.13), որտեղ с-ը տարածական տարբերակումը սահմանող Համիլթոնի օպերատորն է.

(1.14)

Կարևոր!

Ա ես, ժԵվ կընտրված ուղղանկյուն կոորդինատային համակարգի միավոր վեկտորներն են: Այսպիսով, Միջավայրի խտացման ածանցյալը ժամանակի նկատմամբ հավասար է երկրորդ ածանցյալին արագության ներուժի տարածական կոորդինատների նկատմամբ՝ վերցված հակառակ նշանով։

Հավասարում տատանողական շարժում

Տատանողական շարժման հավասարումը կապում է արագության ներուժը և ձայնային ճնշումը: Այս հավասարումը ստանալու համար ձայնային դաշտում մենք ընտրում ենք տարրական ծավալ, որը տատանվում է առանցքի երկայնքով Օ՜(Նկար 1.3.) Նյուտոնի օրենքի համաձայն՝ մենք կարող ենք գրել.

(1.15)

Որտեղ F –ուժ, որը գործում է ընտրված ծավալի վրա առանցքի ուղղությամբ Օ՜,

մ- տվյալ ծավալի զանգվածը, ժ- նույն առանցքի երկայնքով ծավալների շարժման արագացում . Եթե ​​ընտրված ծավալի եզրին գործող ճնշումները նշանակենք որպես p 1Եվ p 2և ընդունիր դա >, ապա ստիպիր Ֆկարելի է սահմանել հետևյալ հավասարությամբ.

(1.16)

Որտեղ

(1.16) արտահայտությունը փոխարինելով (1.15) հավասարությամբ և հաշվի առնելով, որ և արագացում և նաև իրականացնելով սահմանափակող անցում դեպի անվերջ փոքր մեծությունների՝ մենք գտնում ենք.

(1.17)

Հաշվի առնելով, որ Եվ մենք վերջապես ստանում ենք.

. (1.18)

Վերջին հավասարումը չի պարունակում կոորդինատներ և, հետևաբար, վավեր է ցանկացած ձևի ալիքի համար:

Միջավայրի վիճակի հավասարումը

Ուլտրաձայնային դաշտի նկատմամբ միջավայրի վիճակի հավասարումը, որում բոլոր գործընթացները գործնականում տեղի են ունենում առանց ջերմաստիճանի փոփոխության, արտահայտում է միջավայրի ճնշման և խտության հարաբերությունը: Իդեալական հեղուկում, որի մեջ չկա մածուցիկ շփման ուժեր, ձայնային ճնշումն է rհամաչափ միջավայրի կոշտությանը TOև դրա խտացումը գ: Այնուամենայնիվ, եթե միջավայրը իրական է, ապա դրա մեջ կան մածուցիկ շփման ուժեր, որոնց մեծությունը համաչափ է միջավայրի մածուցիկությանը և միջավայրի վիճակի փոփոխության արագությանը, մասնավորապես՝ դրա փոփոխության արագությանը։ խտացում. Հետևաբար, մածուցիկ միջավայրում ճնշումը որոշող արտահայտությունը ձեռք կբերի բաղադրիչ՝ կախված նշված գործոններից.

(1.19)

որտեղ L-ը համաչափության գործակիցն է: Փորձերի արդյունքում հայտնաբերվել է այս գործակիցի գնահատականը, որը թույլ է տվել շրջակա միջավայրի վիճակը սահմանող վերջնական արտահայտությունը գրել հետևյալ ձևով.

(1.20), որտեղ h-ը միջավայրի դինամիկ (նյուտոնյան) մածուցիկության գործակիցն է: Ստացված հավասարումը վավեր է ցանկացած ալիքի ձևի համար:

Ալիքի հավասարում

Ալիքի հավասարումը որոշում է արագության ներուժի փոփոխության օրենքը: Այս հավասարումը ստանալու համար միջավայրի վիճակի (1.20) արտահայտությունը փոխարինում ենք հավասարությամբ (1.18): Արդյունքում մենք ստանում ենք.

(1.21)

Միջավայրի սեղմումը արագության պոտենցիալի միջոցով ներկայացնելու համար մենք տարբերակում ենք (1.21) արտահայտությունը ժամանակի նկատմամբ.

(1.22)

Հաշվի առնելով կախվածությունը (1.13), որը ստացվում է միջավայրի շարունակականության և հավասարության (1.2) պայմանից, մենք գրում ենք ցանկալի ալիքի հավասարումը վերջնական ձևով.

(1.23)

Եթե ​​ալիքը հարթ է և տարածվում է, օրինակ, առանցքի երկայնքով Օ՜, ապա արագության պոտենցիալը կախված կլինի միայն կոորդինատից Xև ժամանակ. Այս դեպքում ալիքի հավասարումը կունենա ավելի պարզ ձև.

(1.24) Ստացված հավասարումները լուծելով` կարելի է գտնել արագության ներուժի փոփոխության օրենքը և, որպես հետևանք, ձայնային դաշտը բնութագրող ցանկացած պարամետր:

Ձայնային դաշտի հիմնական պարամետրերի վերլուծություն

Եկեք նախ որոշենք հարթ ներդաշնակ ալիքը բնութագրող պարամետրերը: Դա անելու համար մենք գտնում ենք (1.24) հավասարման լուծումը, որը գծային է դիֆերենցիալ հավասարումերկրորդ կարգ և հետևաբար ունի երկու արմատ: Նշված արմատները ներկայացնում են երկու գործընթաց j 1 (x,t)Եվ j2 (x, t), սահմանելով ալիքներ, որոնք տարածվում են հակառակ ուղղություններով։ Իզոտրոպ միջավայրում ձայնային դաշտի պարամետրերը ճառագայթման աղբյուրից հավասար հեռավորության վրա գտնվող կետերում նույնն են, ինչը թույլ է տալիս մեզ սահմանափակվել միայն մեկ լուծում գտնելով, օրինակ՝ ալիքի համար։ ժ 1, տարածվում է առանցքի դրական ուղղությամբ Օ՜.

Քանի որ նշված կոնկրետ լուծումը գործող կոորդինատի և ժամանակի ֆունկցիա է, մենք այն կփնտրենք հետևյալ ձևով.

Որտեղ - ալիքի հաճախականությունը, մ- պահանջվող գործակիցը, որը որոշում է արագության ներուժի կախվածությունը տարածական կոորդինատներից, - ալիքի համարը, . -ի անհրաժեշտ ածանցյալների հաշվարկը ժ 1և դրանք փոխարինելով (1.24) հավասարմամբ՝ գտնում ենք.

(1.26) Վերջին հավասարության լուծումը նկատմամբ մև հաշվի առնելով, որ ալիքը, որը քայքայվում է խանգարման աղբյուրից հեռավորության վրա, համապատասխանում է բացասական արժեքի, կունենանք.

(1.27)

Ուլտրաձայնային դաշտում արտահայտման փակագծերի երկրորդ տերմինը (1.27) զգալիորեն պակաս է միասնությունից, ինչը թույլ է տալիս մեզ ընդլայնել այս արտահայտությունը ուժային շարքի մեջ՝ սահմանափակվելով երկու տերմինով.

(1.28)

Գտնված արժեքի փոխարինում մհավասարության մեջ (1.25) և ներմուծելով նշումը

(1.29)

եկեք գտնենք արագության պոտենցիալի վերջնական արտահայտությունը ժ 1:

Առանձնահատուկ լուծում ներուժի համար ժ 2կարելի է գտնել դիտարկված դեպքի նմանությամբ.

Եկեք օգտագործենք ստացված արտահայտությունները ձայնային դաշտի հիմնական պարամետրերը որոշելու համար:

Դրական ուղղված ալիքի տարածման գոտում ձայնային ճնշումը որոշվում է հետևյալ հավասարությամբ.

(1.32)

Որտեղ .

Եթե ​​դիմենք հավասարությանը (1.4) և հաշվի առնենք, որ ուլտրաձայնային դաշտում >> Ա, ապա տատանողական արագության արտահայտությունը կարելի է գրել հետևյալ ձևով.

Որտեղ Ստացված արտահայտությունները ցույց են տալիս, որ ձայնային ճնշման և թրթռման արագության ընթացիկ արժեքների փոփոխությունները տեղի են ունենում փուլային փուլում, ինչի արդյունքում այն ​​վայրերում, որտեղ միջավայրը սեղմվում է, թրթռման արագության վեկտորը համընկնում է տարածման արագության ուղղությամբ։ ալիքի ճակատ, իսկ հազվադեպ վայրերում այն ​​հակառակ է դրան։

Գտնենք ձայնային ճնշման և թրթռման արագության հարաբերակցությունը, որը կոչվում է հատուկ ակուստիկ դիմադրություն:

(1.34)

Հատուկ ակուստիկ դիմադրությունը միջավայրի կարևոր բնութագիրն է, որն ազդում է դրանում տեղի ունեցող գործընթացների բազմաթիվ պարամետրերի վրա:

Ձայնային ալիքների տարածում

Հիդրոակուստիկ սարքեր ստեղծելիս մեկը ամենակարևոր առաջադրանքներըէ ճիշտ ընտրությունճառագայթման պարամետրեր՝ ուղարկող ազդանշանի կրիչի հաճախականությունը, ազդանշանի մոդուլյացիայի մեթոդը և դրա էներգետիկ բնութագրերը: Ալիքի տարածման տիրույթը, դրա արտացոլման և տարբեր միջերեսների միջով անցնելու առանձնահատկությունները տարբեր լրատվամիջոցներով ֆիզիկական հատկություններ, ազդանշանը ուղեկցող աղմուկից մեկուսացնելու հնարավորությունը։

Ինչպես նշվեց վերևում, հիդրոակուստիկ ազդանշանի հիմնական էներգետիկ բնութագրերից մեկը դրա ինտենսիվությունն է: Այս պարամետրը սահմանող արտահայտությունը կարելի է գտնել հետևյալ նկատառումներից. Դիտարկենք ալիքի ճակատի մի քանի տարրական հատված մի տարածքով, որը, տատանվելով, փոխվում է հարաբերական. նախնական դիրքըչափով Այս տեղաշարժին կհակազդեն ուժերը ներքին փոխազդեցություն. Աշխատանքը կծախսվի այս ուժերի հաղթահարման համար Դիտարկվող թրթռումները ապահովելու համար պահանջվող հզորությունը սահմանվում է որպես ժամանակի մեկ միավորի համար ծախսված աշխատանք:

(1.35)

Որտեղ Տ- ալիքի ժամանակաշրջան. Իր հերթին, ինտենսիվությունը որոշվում է շարժման վրա ծախսվող հզորությամբ միայնակալիքի ճակատային տարածքը և, հետևաբար, հավասար կլինի.

(1.36)

Փոխարինելով (1.32) և (1.33) հավասարությունները ստացված արտահայտության մեջ՝ մենք գտնում ենք.

Հաշվի առնելով, որ 0.5 - ազդանշանի ինտենսիվությունը թողարկողի անմիջական մերձակայքում, ապա աղբյուրից հեռավորության հետ ինտենսիվության փոփոխության օրենքը կորոշվի հետևյալ հավասարությամբ.

(1.38)

Վերջին բանաձեւը ստացել է անգլիացի ֆիզիկոս և մաթեմատիկոս Սթոքսը և կրում է նրա անունը։ Այն ցույց է տալիս, որ երբ հեռանում եք ճառագայթման աղբյուրից, ձայնային ալիքի ինտենսիվությունը աստիճանաբար նվազում է: Ընդ որում, ինչպես հետևում է արտահայտությունից (1.29), թուլացման ինդեքսը Ահամաչափ է արտանետվող ալիքի տատանումների հաճախականության քառակուսին: Սա որոշակի սահմանափակումներ է դնում հաղորդագրությունների կրիչի հաճախականությունների ընտրության հարցում, հատկապես հեռահար զոնդավորման ժամանակ:

Այնուամենայնիվ, օգտագործելով Stokes բանաձեւը, միշտ չէ, որ հնարավոր է ստանալ ձայնային ալիքի թուլացման գործընթացի ճիշտ գնահատական: Այսպիսով, փորձերը ցույց են տալիս, որ ծովային միջավայրում ձայնային ալիքները շատ ավելի արագ են թուլանում, քան դա հետևում է վերը նշված արտահայտությունից: Այս երևույթը պայմանավորված է իրական միջավայրի և իդեալականացվածի հատկությունների տարբերությամբ, որը սովորաբար դիտարկվում է տեսական խնդիրներ լուծելիս, ինչպես նաև նրանով, որ ծովային միջավայրը տարասեռ հեղուկ է՝ ներառյալ կենդանի օրգանիզմները, օդային փուչիկները և այլ կեղտեր:

Գործնականում սովորաբար օգտագործվում են տարբեր էմպիրիկ բանաձեւեր ձայնային ալիքի ինտենսիվության փոփոխության օրենքը որոշելու համար։ Այսպիսով, օրինակ, իր հաճախականություններով, որոնք գտնվում են 7,5 - 60 կՀց միջակայքում, գործակիցի արժեքը Ամեկ կիլոմետրի համար դեցիբելներով (դԲ/կմ) կարելի է գնահատել՝ օգտագործելով հետևյալ հարաբերությունները.

, (1.39)

իսկ ինտենսիվության օրենքը փոխվում է վիբրատորից 200 կմ չգերազանցող հեռավորությունների վրա՝ մինչև 10% սխալով, որոշվում է հավասարությամբ.

(1.40)

Գնդաձեւ ալիքի դեպքում՝ ինտենսիվությունը

. (1.41)

Վերջին արտահայտությունից հետևում է, որ ալիքը մեծ չափով թուլանում է իր ճակատի ընդլայնման պատճառով հեռավորության աճի հետ: r.

Ուլտրաձայնային ալիքը, երբ շարժվում է միատարր իզոտրոպ միջավայրում, տարածվում է ուղղագիծ: Այնուամենայնիվ, եթե միջավայրը անհամասեռ է, ապա ձայնի ճառագայթի հետագիծը թեքված է, և որոշակի պայմաններում ազդանշանը կարող է արտացոլվել միջանկյալ շերտերից: ջրային միջավայր. Ծովային միջավայրի տարասեռության պատճառով ձայնային ճառագայթների կորության երեւույթը կոչվում է ձայնի բեկում. Ձայնի բեկումը կարող է զգալի ազդեցություն ունենալ հիդրոակուստիկ չափումների ճշգրտության վրա, ուստի շատ դեպքերում դրա ազդեցության աստիճանը պետք է գնահատվի:

Երբ ճառագայթը տարածվում է դեպի ներքև, այն, որպես կանոն, անցնում է իր ճանապարհով երեք գոտի՝ իզոթերմային (հաստատուն ջերմաստիճան ունեցող) մակերևույթի գոտի, ջերմաստիճանի ցատկման գոտի, որը բնութագրվում է կտրուկ բացասական ջերմաստիճանի գրադիենտով և մոտ ստորին իզոթերմային գոտի (նկ. 1.4): Շոկային գոտու հաստությունը կարող է լինել մի քանի տասնյակ մետր: Երբ ձայնային ալիքն անցնում է հարվածային շերտով, նկատվում է ուժեղ բեկում և ձայնի ինտենսիվության զգալի նվազում։ Ինտենսիվության նվազումը պայմանավորված է ճառագայթների շեղմամբ՝ հարվածային շերտի վերին սահմանում կտրուկ բեկման, ինչպես նաև այս շերտից դրանց արտացոլման հետևանքով։ Պառակտված ճառագայթի ծայրահեղ ճառագայթները կազմում են ձայնային ստվերի գոտի:

Նկ.1.4.

Ծովային միջավայրի խտության և ջերմաստիճանի փոփոխությունները պայմաններ են ստեղծում ձայնային ալիքների առաջացման համար։ Դրանք ջրի հորիզոնական շերտեր են, որոնց երկայնքով ձայնի տարածման արագությունը նվազագույն է իրենց առանցքի վրա և մեծանում է դեպի ծայրամաս։ Սա հանգեցնում է ալիքի արտացոլմանը առանցքից հեռու ջրի շերտերից, ինչի արդյունքում այն ​​սկսում է տարածվել ալիքատարի առանցքի երկայնքով զգալի հեռավորությունների վրա։ Նման գերհեռահար ալիքի տարածումը կարող է օգտագործվել որոշ կոնկրետ խնդիրներ լուծելու համար։ Երբ մի քանի ձայնային ալիքներ տարածվում են մեկ միջավայրում, դրանց ավելացման արդյունքում առաջացող ձայնային ալիքի ինտենսիվությունը դաշտի որոշ կետերում մեծանում է, իսկ մյուսներում՝ նվազում։ Այս երեւույթը կոչվում է ձայնային թրթռումների միջամտություն. Խոչընդոտող տատանումները կարող են ունենալ տարբեր ամպլիտուդներ, հաճախականություններ և փուլեր: Երկու կրիչների միջերեսի վրա, որոնց ձայնային դիմադրությունները կտրուկ տարբերվում են, ձայնային ճառագայթի նորմալ դիպչման դեպքում այն ​​կարող է.

առաջանալ կանգնածալիք. Կանգնած ալիքի առանձնահատկությունն այն է, որ նրա բոլոր կետերը տատանվում են միևնույն փուլով, ձևավորելով տատանումների ալիքի երկարության քառորդին հավասար ընդմիջումներով, հակահանգույցներ, որոնցում տատանման ամպլիտուդան առավելագույնն է, և հանգույցներ, որոնցում տատանումներ ընդհանրապես չկան։ . Կանգնած ալիքը գործնականում էներգիա չի փոխանցում:

Ձայնային ալիքների արտացոլումը և բեկումը

Երբ ալիքը ընկնում է երկու միջավայրերի միջերեսի վրա, այս սահմանին պատկանող միջավայրի մասնիկները գրգռվում են: Իր հերթին, սահմանային մասնիկների տատանումները առաջացնում են ալիքային պրոցեսներ ինչպես անկման ալիքի միջավայրում, այնպես էլ նրան հարող միջավայրում։ Առաջին ալիքը կոչվում է արտացոլվածև երկրորդը - բեկված. Անկյուններ և (նկ. 1.5) միջերեսի նորմալի և ճառագայթների ուղղության միջև կոչվում են անկյուններ ընկնում,
արտացոլումներԵվ բեկում, համապատասխանաբար։ Համաձայն Դեկարտի օրենքների՝ տեղի են ունենում հետևյալ հավասարությունները.

(1.42)

Եթե ​​ճառագայթների տարածման ճանապարհին հայտնաբերվեն մի քանի միջերեսներ, ապա հավասարությունը ճիշտ կլինի.

(1.43)

Քանակը կոչվում է Սնելը հաստատուն է. Դրա արժեքը չի փոխվում ձայնային ճառագայթի երկայնքով:

Միջադեպի, արտացոլված և բեկված ճառագայթների էներգիայի փոխհարաբերությունները որոշվում են գործակիցների միջոցով ԱԵվ INարտացոլումը և բեկումը, համապատասխանաբար: Այս գործակիցները որոշվում են հետևյալ հավասարումներով.

(1.44)

Կարելի է ցույց տալ, որ նույն ակուստիկ դիմադրություն ունեցող լրատվամիջոցներում ձայնային էներգիան ամբողջությամբ փոխանցվում է մի միջավայրից մյուսին: Եթե ​​մեդիայի ակուստիկ դիմադրության մեջ մեծ տարբերություն կա, ապա գրեթե ողջ անկման էներգիան արտացոլվում է կրիչների միջերեսից:

Դիտարկված օրինաչափությունները տեղի են ունենում, եթե արտացոլող մակերեսի չափերը գերազանցում են անկման ճառագայթման ալիքի երկարությունը: Եթե ​​նրա ալիքի երկարությունը մեծ է արտացոլող մակերեսի չափից, ապա, որպես կանոն, ալիքը մասամբ արտացոլվում է արգելքից (ցրված) և մասամբ թեքվում նրա շուրջը։ Արգելքի շուրջ ալիքի թեքման երեւույթը կոչվում է ձայնի դիֆրակցիա. Դիֆրակցիա առաջանում է նաև այն առարկաներում, որոնց չափերը գերազանցում են տատանման ալիքի երկարությունը, սակայն այս դեպքում երեւույթը դրսևորվում է միայն արտացոլող մակերեսի եզրերին։ Խոչընդոտի հետևում ձևավորվում է ակուստիկ ստվերային գոտի, որում ձայնային թրթռումներ չկան։ Միևնույն ժամանակ, խոչընդոտի առջև, ձայնային դաշտի պատկերն ավելի է բարդանում միջադեպի, անդրադարձված և ցրվող ալիքների փոխազդեցության պատճառով: Ձայնային ալիքը կարող է արտացոլվել ցրված բազմաթիվ առարկաներից ծովի ջուր, ինչպիսիք են օդային փուչիկները, պլանկտոնը, պինդ լողացող նյութերի մասնիկները և այլն։ Այս դեպքում արտացոլված ազդանշանը կոչվում է ազդանշան ծավալային ռեվերբ. Այն ճառագայթման ընդունիչի կողմից ընկալվում է որպես տատանվող արձագանք ազդանշանի ուղարկման պահին։ Սկզբում այս արձագանքը կարող է բավականին բարձր մակարդակ ունենալ, այնուհետև արագ մարել:

Արձագանքը կարող է առաջանալ հարթ մակերեսների կողմից ձայնի ցրման պատճառով, որոնք ունեն փոքր անկանոնություններ՝ համեմատած ալիքի երկարության հետ: Ամենից հաճախ նման մակերեսները ծովի հատակն են կամ մակերեսը: Այս արձագանքը կոչվում է ներքեւկամ մակերեսային, համապատասխանաբար։

. Հիդրոակուստիկ հնչյունավորման հիմնական սկզբունքները

Տրանսպորտային նավատորմի մեջ օգտագործվող հիդրոակուստիկ նավիգացիոն գրեթե բոլոր սարքերը գործում են ջրային տարածության ակտիվ զգայության ռեժիմում: Այս ռեժիմն իրականացնող սարքերի մշակումը պահանջում է հետևյալը.

§ լուծվող խնդրի բովանդակությունից ելնելով ճառագայթման հետազոտման պահանջների որոշում.

§ ալեհավաքների ընդունման և հաղորդման պահանջների որոշում.

§ զոնդավորման ազդանշանի տարածման պայմանների վերլուծություն և ստացված ազդանշանի բնույթի գնահատում.

§ համակարգի մուտքային բլոկների համար պահանջների մշակում, որոնք իրականացնում են ստացված ազդանշանի առաջնային փոխակերպումը.

§ որոշում ընդունող ուղու կազմը, որը փոխակերպում է առաջնային տեղեկատվությունը այլ սարքերի կամ համակարգերի կողմից դրա ցուցադրման կամ հետագա օգտագործման համար անհրաժեշտ ձևի.

§ տեղեկատվության ցուցադրման և ձայնագրման սարքերի կազմի որոշում.

§ դրա հետ միասին աշխատող այլ սարքերից հիդրոակուստիկ սարքի ելքային ազդանշանի պահանջների ձևակերպում.

Ինչպես նշվեց վերևում, զոնդավորման ճառագայթումը կարող է լինել շարունակական կամ իմպուլսային: Միևնույն ազդանշանի ամպլիտուդներով շարունակական ճառագայթումն ունի ամենաբարձր միջին հզորությունը, ինչը կարող է վճռորոշ առավելություն լինել ճառագայթման աղբյուրից բավականին հեռու տարածքները զննելու ժամանակ: Արտանետվող ազդանշանի ավելի բարձր միջին հզորությունը թույլ է տալիս ոչ միայն բարձրացնել ստացված արտացոլված ազդանշանի մակարդակը, այլև հաճախ խուսափել կավիտացիայի երևույթից։ Առավել հաճախ այս տեսակի ճառագայթումն օգտագործվում է դոպլեր համակարգերում՝ նավի արագությունը չափելու համար։

Եթե ​​անհրաժեշտ է չափել արտացոլող օբյեկտների հեռավորությունները, ապա շարունակական ճառագայթումը նախ պետք է հատուկ ձևով մոդուլացվի: Ստացված ազդանշանի մոդուլյացիայի և մշակման մեթոդի ճիշտ ընտրությունը թույլ է տալիս ստեղծել առավել ճշգրիտ չափման համակարգեր: Սակայն պետք է հաշվի առնել, որ քննարկվող դեպքում ստացված ազդանշանը, որպես կանոն, ուղեկցվում է ծավալային ռեվերբերացիայի արդյունքում առաջացող բավական զգալի միջամտությամբ։

Իմպուլսային ճառագայթումը բնութագրվում է իմպուլսի ձևով, դրա տեւողությամբ Տ և(նկ. 1.6), հաճախականության կամ զարկերակային կրկնության ժամանակաշրջան: Ամենից հաճախ օգտագործվում են ուղղանկյուն իմպուլսներ (նկ. 1.6.ա), որոնք առավել հագեցած են էներգիայով։ Ոչ վաղ անցյալում բավականին լայնորեն կիրառվում էր էքսպոնենցիալ ձևը (նկ. 2.6, բ)՝ պայմանավորված այն հանգամանքով, որ այն տեխնիկապես ավելի հեշտ էր իրագործվում։ Անհատական ​​խնդիրների լուծումը կարող է պահանջել ավելի շատ ազդակների ստեղծում բարդ ձևնրանց ծրարները:

Զարկերակային տեւողությունը մեծ արժեք, քանի որ այն իր ամպլիտուդի հետ միասին որոշում է իր մեջ պարունակվող հզորությունը և, հետևաբար, առավելագույն զգայական տիրույթը։ Բացի այդ, տիրույթի լուծումը կախված է իմպուլսի տեւողությունից, այսինքն. այդ նվազագույն միջակայքի տարբերությունը, որը կարող է չափվել համակարգի կողմից: Իրոք, այն պատճառով, որ զարկերակը մեկ տեղեկատվության կրող է, տիրույթի բոլոր փոփոխությունները նրա տարածական մասում չեն գրանցվի համակարգի կողմից: Հաշվի առնելով, որ զարկերակը անցնում է երկու անգամ ավելի հեռավորությունից՝ դեպի ռեֆլեկտոր և ետ, համակարգի լուծումը հավասար կլինի իմպուլսի տարածական երկարության կեսին.

(1.45)

Գործնականում զարկերակային տեւողությունը ամենից հաճախ գտնվում է 10-5-ի սահմաններում Հետմինչև 10 -3 Հետ.

Զարկերակային կրկնության արագությունը սովորաբար ընտրվում է այնպես, որ ցանկացած գործող տիրույթում հաջորդ իմպուլսը թողարկվի միայն արտացոլվածը ստանալուց հետո: Այսինքն՝ ժամանակաշրջանը t pԶարկերակային հաջորդականությունը պետք է բավարարի անհավասարությունը. Որտեղ - առավելագույն զգայական տիրույթը գործող տիրույթում, - միջին արագությունձայնը ջրի մեջ, սովորաբար ընդունվում է 1500-ի մ/կ. Այս մոտեցումը պայմաններ է ստեղծում մեկ ալեհավաքից որպես ընդունող և հաղորդող ալեհավաք օգտագործելու համար: Որոշ դեպքերում զարկերակային կրկնության արագությունը կարող է ընտրվել այլ նկատառումների հիման վրա:

Զոնդավորման ազդանշանի համար պահանջներ ձևավորելիս շատ կարևոր է ճիշտ ընտրել ճառագայթման կրիչի հաճախականությունը: Ազդանշանի թուլացումը, դրա արտացոլումը մեդիայի և տարբեր օբյեկտների միջերեսներից, ինչպես նաև ալիքի ճակատի հետագիծը մեծապես կախված է դրանից: Կրիչի հաճախականության կրճատումը, որպես կանոն, պահանջում է ալեհավաքի սարքերի չափի մեծացում, բայց օգնում է բարձրացնել զգայական տիրույթը:

Ձևակերպելով ալեհավաքային համակարգի հիմնական պահանջները՝ անհրաժեշտ է.

§ որոշել ալեհավաքների քանակը և նավի վրա դրանց տեղադրման դասավորությունը.

§ ընտրել ճառագայթման ուղղորդման լավագույն աստիճանը.

§ ընտրել տարրի տեսակը, որը էլեկտրական էներգիան վերածում է մեխանիկական էներգիայի և հակառակը, ինչպես նաև ալեհավաքի տեսակը.

§ որոշել նավի վրա ալեհավաքների տեղադրման եղանակը:

Օգտագործված ալեհավաքների քանակը և դրանց տեղադրման սխեման որոշվում է լուծվող խնդրի բնույթով, ինչպես նաև դրանց ավելորդության առկայությամբ կամ բացակայությամբ՝ համակարգի հուսալիությունը բարձրացնելու համար: Յուրաքանչյուր ալեհավաք կարող է տեղադրվել նավի վրա ինքնուրույն կամ բոլոր ալեհավաքները կարող են միավորվել մեկ ալեհավաքի մեջ, որը սովորաբար տեղադրվում է կլինկերում: Նման բլոկը կարող է պարունակել մինչև 20 կամ ավելի ալեհավաք, որոնք այս դեպքում ավելի ճիշտ են կոչվում վիբրատորներ:

Ճառագայթման ուղղորդման պահանջվող աստիճանը նույնպես թելադրված է լուծվող խնդրի բնույթով։

Ֆեռոմագնիսական և պիեզոկերամիկական թրթռիչները օգտագործվում են որպես էլեկտրական էներգիայի փոխարկիչներ մեխանիկական էներգիայի և հետադարձի, որոնց շահագործման սկզբունքը քննարկվում է ստորև:

Ընդհանուր բնութագրերփոխանցման-ընդունման ալեհավաքներ

Էլեկտրական էներգիայի մեխանիկական էներգիայի ֆերոմագնիսական փոխարկիչներն օգտագործում են մագնիսական սեղմման էֆեկտը: Այս ազդեցության էությունն այն է, որ երբ փոխվում է մագնիսական վիճակֆերոմագնիսական նյութից պատրաստված արտադրանք, դրա չափսերի որոշակի փոփոխություն է տեղի ունենում: Նմուշը դեֆորմացվում է, և այս դեֆորմացիան մեծանում է դրա մագնիսացման ինտենսիվության աճով: Եթե ​​որպես նմուշ վերցնենք ձողի միջուկը, ապա այն սարքավորենք ոլորունով և սնուցենք փոփոխական հոսանք, ապա միջուկի երկարությունը պարբերաբար կփոխվի։ Էլեկտրական էներգիա, որը ծախսվում է դրա մագնիսացման վրա, վերածվում է մեխանիկական թրթռումների էներգիայի, որը կարող է գրգռել ձայնային դաշտը առաձգական միջավայրում, որտեղ տեղադրված է խնդրո առարկա ձողը։

Կա նաև հակառակ ազդեցությունը. Եթե ​​միջուկը պատրաստված է ֆերոմագնիսական նյութից, որն ունի որոշակի մնացորդային մագնիսացում, այն փոքր-ինչ դեֆորմացվում է, այսինքն. փոխի իր ներքին լարվածությունը, հետո լարվածությունը կփոխվի մագնիսական դաշտկապված դրա հետ: Այս դեպքում մագնիսական դաշտի փոփոխությունը պայմանավորված կլինի

ԶՁայնային դաշտը դրսևորվում է տատանվող նյութական մարմինների կինետիկ էներգիայի, առաձգական կառուցվածք ունեցող միջավայրերում (պինդ մարմիններ, հեղուկներ և գազեր) ձայնային ալիքների տեսքով։ Առաձգական միջավայրում թրթռումների տարածման գործընթացը կոչվում է ալիք. Ձայնային ալիքի տարածման ուղղությունը կոչվում է ձայնային ճառագայթև դաշտի բոլոր հարակից կետերը միջավայրի մասնիկների տատանումների նույն փուլով միացնող մակերեսը կազմում է. ալիքի ճակատ. Պինդ մարմիններում թրթռումները կարող են տարածվել ինչպես երկայնական, այնպես էլ լայնակի ուղղություններով։ Դրանք տարածվում են միայն օդում երկայնական ալիքներ.

Ազատ ձայնային դաշտկոչվում է դաշտ, որտեղ ուղիղ ձայնային ալիքը գերակշռում է, իսկ արտացոլված ալիքները բացակայում են կամ աննշանորեն փոքր են։

Ցրված ձայնային դաշտ- սա դաշտ է, որտեղ յուրաքանչյուր կետում ձայնային էներգիայի խտությունը նույնն է, և որի բոլոր ուղղություններով էներգիայի միանման հոսքերը տարածվում են ժամանակի միավորի վրա:

Ձայնային ալիքները բնութագրվում են հետևյալ հիմնական պարամետրերով.

Ալիքի երկարություն- հավասար է ձայնի արագության (340 մ/վրկ օդում) հարաբերակցությանը ձայնային թրթռումների հաճախականությանը. Այսպիսով, օդում ալիքի երկարությունը կարող է տատանվել 1,7 սմ-ից (համար զ= 20000 Հց) մինչև 21 մ (համար զ= 16 Հց):

Ձայնային ճնշում- սահմանվում է որպես տվյալ կետում ձայնային դաշտի ակնթարթային ճնշման և վիճակագրական (մթնոլորտային) ճնշման տարբերությունը: Ձայնային ճնշումը չափվում է Պասկալներով (Pa), Pa = N/m2: Ֆիզիկական անալոգներ – էլեկտրական լարում, հոսանք:

Ձայնի ինտենսիվություն– ալիքի տարածման ուղղությանը ուղղահայաց միավոր մակերեսով մեկ միավոր ժամանակում անցնող ձայնային էներգիայի միջին քանակությունը: Ինտենսիվությունը չափվում է W/m2 միավորներով և ներկայացնում է ձայնային թրթռումների ուժի ակտիվ բաղադրիչը: Ֆիզիկական անալոգը էլեկտրական էներգիան է:

Ակուստիկայում չափումների արդյունքները սովորաբար ցուցադրվում են հարաբերական լոգարիթմական միավորների տեսքով։ Լսողական սենսացիան գնահատելու համար օգտագործվում է մի միավոր, որը կոչվում է Bel (B): Քանի որ Bel-ը բավականին մեծ միավոր է, ներդրվեց ավելի փոքր արժեք՝ դեցիբել (dB) հավասար 0,1 B:

Ձայնի ճնշումը և ձայնի ինտենսիվությունը արտահայտվում են հարաբերական ակուստիկ մակարդակներով.

,

Ակուստիկ մակարդակների զրոյական արժեքները համապատասխանում են ընդհանուր ընդունվածին և W/m 2 ներդաշնակությամբ ձայնային թրթռումհաճախականությունը 1000 Հց: Տրված արժեքները մոտավորապես համապատասխանում են լսողական սենսացիաներ առաջացնող նվազագույն արժեքներին (լսողության բացարձակ շեմ):

Խոսափողի բնութագրերի չափման պայմանները.Ակուստիկ չափումները ունեն մի շարք առանձնահատուկ առանձնահատկություններ. Այսպիսով, էլեկտրաակուստիկ սարքավորումների որոշ բնութագրերի չափումը պետք է իրականացվի ազատ դաշտի պայմաններում, այսինքն. երբ արտացոլված ալիքներ չկան:

Սովորական տարածքներում այս պայմանը չի կարող բավարարվել, և չափումները պետք է կատարվեն դրսումդժվար և ոչ միշտ հնարավոր: Նախ, դրսում դժվար է խուսափել այնպիսի մակերեսներից, ինչպիսին է գետնին արտացոլված արտացոլումները: Երկրորդ, չափումները այս դեպքում կախված են մթնոլորտային պայմաններից (քամի և այլն) և կարող են հանգեցնել մեծ սխալների, էլ չեմ խոսում մի շարք այլ անհարմարությունների մասին։ Երրորդ, բաց երկնքի տակ դժվար է խուսափել կողմնակի (արդյունաբերական և այլն) աղմուկի ազդեցությունից։

Հետևաբար, ազատ դաշտում չափումներ իրականացնելու համար օգտագործվում են հատուկ ձայնով թուլացած խցիկներ, որոնցում արտացոլված ալիքները գործնականում բացակայում են։

Միկրոֆոնի բնութագրերի չափում անխոիկ խցիկում. Ազատ դաշտի խոսափողի զգայունությունը չափելու համար նախ պետք է չափել ձայնի ճնշումը այն կետում, որտեղ պետք է տեղադրվի փորձարկվող խոսափողը, այնուհետև այն տեղադրվի այդ կետում: Բայց քանի որ խցիկում գործնականում միջամտություն չկա, և բարձրախոսից խոսափողի հեռավորությունը հավասար է 1 - 1,5 մ (կամ ավելի) 25 սմ-ից ոչ ավելի թողարկողի տրամագծով, չափիչ խոսափողը կարող է տեղադրվել մոտ: դեպի փորձարկվող խոսափողը: Չափիչ սարքավորման դիագրամը ներկայացված է Նկար 4-ում: Զգայունությունը որոշվում է անվանական հաճախականության ողջ տիրույթում: Ձայնային ճնշման հաշվիչի (ձայնաչափի) միջոցով անհրաժեշտ ճնշումը սահմանելով՝ չափեք փորձարկվող խոսափողի կողմից մշակված լարումը և որոշեք դրա առանցքային զգայունությունը:

Ե O.C. = U Մ /Պ( mV/Pa)

Զգայունությունը որոշվում է կամ բաց շղթայի լարման կամ անվանական բեռի լարման միջոցով: Որպես կանոն, որպես անվանական բեռ ընդունվում է խոսափողի ներքին դիմադրության մոդուլը 1000 Հց հաճախականությամբ։

Նկ.4.Միկրոֆոնի զգայունության չափման ֆունկցիոնալ դիագրամ.

1 - տոնով կամ սպիտակ աղմուկի գեներատոր; 2 - օկտավայի ֆիլտր (օկտավայի մեկ երրորդը); 3 - ուժեղացուցիչ; 4 - anechoic խցիկ; 5 – ձայնային արտանետիչ; 6 - փորձարկման տակ գտնվող խոսափող; 7 - չափիչ խոսափող; 8 - միլիվոլտմետր; 9 - միլիվոլտմետր, աստիճանավորված պասկալներով կամ դեցիբելներով (ձայնի մակարդակի չափիչ):

Զգայունության մակարդակսահմանվում է որպես զգայունություն՝ արտահայտված դեցիբելներով՝ 1-ին հավասար արժեքի նկատմամբ։

Ստանդարտ զգայունության մակարդակ (դեցիբելներով) սահմանվում է որպես 1 Պա ձայնային ճնշման ժամանակ անվանական բեռի դիմադրության ժամանակ մշակված լարման հարաբերակցությունը = 1 մՎտ հզորությանը համապատասխանող լարմանը և հաշվարկվում է բանաձևով.

որտեղ է խոսափողի կողմից մշակված լարումը (V) անվանական բեռի դիմադրության (Օհմ) 1 Պա ձայնային ճնշման դեպքում:

Հաճախականության արձագանքխոսափողի զգայունությունը խոսափողի զգայունության կախվածությունն է ձայնային ճնշման և խոսափողի մատակարարման հոսանքի մշտական ​​արժեքների հաճախականությունից: Հաճախականության արձագանքը չափվում է գեներատորի հաճախականության սահուն փոփոխությամբ: Ստացված հաճախականության արձագանքի հիման վրա որոշվում է դրա անհավասարությունը անվանական և գործառնական հաճախականությունների միջակայքում:

Ուղղորդման բնութագրերըԽոսափողը հանվում է նույն սխեմայով (նկ. 4), և կախված առաջադրանքից՝ կա՛մ մի քանի հաճախականությամբ՝ օգտագործելով տոնային գեներատոր, կա՛մ մեկ երրորդ օկտավայի տիրույթում աղմուկի ազդանշանի համար, կա՛մ տվյալ հաճախականության գոտու համար, մեկ երրորդ օկտավայի ֆիլտրերի փոխարեն օգտագործելով համապատասխան անցումային ֆիլտր:

Ուղղորդված բնութագրերը չափելու համար փորձարկվող խոսափողը տեղադրվում է հավաքիչով պտտվող սկավառակի վրա: Սկավառակը պտտվում է ձեռքով կամ ավտոմատ կերպով, ձայնագրման սեղանի հետ համաժամանակյա: Բնութագիրը վերցվում է խոսափողի աշխատանքային առանցքով անցնող մեկ հարթությունում, եթե այն իր առանցքի շուրջ պտտվող մարմին է։ Միկրոֆոնի այլ ձևերի համար հատկանիշը վերցված է աշխատանքային առանցքով անցնող տվյալ ինքնաթիռների համար: Պտտման անկյունը չափվում է աշխատանքային առանցքի և ձայնի աղբյուրի ուղղությամբ ուղղության միջև: Ուղղորդության բնութագիրը նորմալացված է առանցքի զգայունության համեմատ:

Ձայնային դաշտը տարածության այն շրջանն է, որտեղ ձայնային ալիքները տարածվում են, այսինքն՝ տեղի են ունենում առաձգական միջավայրի (պինդ, հեղուկ կամ գազային) մասնիկների ակուստիկ թրթռումներ, որոնք լրացնում են այս շրջանը։ Ձայնային դաշտ հասկացությունը սովորաբար օգտագործվում է այն տարածքների համար, որոնց չափերը ձայնային ալիքի երկարության կարգի կամ ավելի մեծ են:

Էներգետիկ կողմում ձայնային դաշտը բնութագրվում է ձայնային էներգիայի խտությամբ (տատանողական պրոցեսի էներգիան մեկ միավորի ծավալով) և ձայնի ինտենսիվությամբ։

Մարմնի մակերեսը, որը թրթռում է, ձայնային էներգիայի արտանետող (աղբյուր) է, որը ստեղծում է ակուստիկ դաշտ։

Ակուստիկ դաշտկոչվում է առաձգական միջավայրի շրջան, որը ակուստիկ ալիքների հաղորդման միջոց է։ Ակուստիկ դաշտը բնութագրվում է.

· ձայնային ճնշում էջ sv, Pa;

· ակուստիկ դիմադրություն z Ա, Պա*ս/մ.

Ակուստիկ դաշտի էներգետիկ բնութագրերն են.

· ինտենսիվություն I, Վտ/մ2;

· ձայնային հզորություն W, W-ն միավոր ժամանակում անցնող էներգիայի քանակն է ձայնի աղբյուրը շրջապատող մակերեսով:

Ակուստիկ դաշտի ձևավորման գործում կարևոր դեր է խաղում ձայնային արտանետման ուղղորդման հատկանիշ Ֆ, այսինքն. Աղբյուրի շուրջ առաջացած ձայնային ճնշման անկյունային տարածական բաշխումը:

Այս բոլոր մեծությունները փոխկապակցված են և կախված են այն միջավայրի հատկություններից, որոնցում տարածվում է ձայնը։

Եթե ​​ակուստիկ դաշտը չի սահմանափակվում մակերեսով և տարածվում է գրեթե մինչև անսահմանություն, ապա այդպիսի դաշտը կոչվում է ազատ ակուստիկ դաշտ։

Սահմանափակ տարածության մեջ (օրինակ՝ փակ տարածքում) ձայնային ալիքների տարածումը կախված է ալիքների ուղու վրա գտնվող մակերեսների երկրաչափությունից և ձայնային հատկություններից։

Սենյակում ձայնային դաշտի ձևավորման գործընթացը կապված է երևույթների հետ արձագանքԵվ դիֆուզիոն.

Եթե ​​սենյակում սկսում է աշխատել ձայնի աղբյուրը, ապա առաջին պահին մենք ունենք միայն ուղիղ ձայն: Երբ ալիքը հասնում է ձայնը արտացոլող պատնեշին, դաշտի օրինաչափությունը փոխվում է արտացոլված ալիքների տեսքի պատճառով: Եթե ​​ձայնային դաշտում տեղադրվի այնպիսի առարկա, որի չափերը փոքր են ձայնային ալիքի երկարության համեմատ, ապա գործնականում ձայնային դաշտի աղավաղում չի նկատվում։ Համար արդյունավետ արտացոլումանհրաժեշտ է, որ ռեֆլեկտիվ պատնեշի չափերը լինեն ձայնային ալիքի երկարությունից մեծ կամ հավասար:

Ձայնային դաշտը, որտեղ այն տեղի է ունենում մեծ թվովարտացոլված ալիքները տարբեր ուղղություններով, որի արդյունքում ձայնային էներգիայի տեսակարար խտությունը դաշտում նույնն է, կոչվում է ցրված դաշտ.

Այն բանից հետո, երբ աղբյուրը դադարում է ձայն արձակել, ձայնային դաշտի ակուստիկ ինտենսիվությունը նվազում է մինչև զրոյական մակարդականսահման ժամանակի համար: Գործնականում ձայնը համարվում է ամբողջությամբ թուլացած, երբ դրա ինտենսիվությունը իջնում ​​է մինչև 106 անգամ, քան այն, որ գոյություն ունի այն անջատման պահին: Ցանկացած ձայնային դաշտ, որպես թրթռացող միջավայրի տարր, ունի ձայնի թուլացման իր առանձնահատկությունը. արձագանք(«հետհնչյուն»):