Det utrymme där ljud färdas kallas ljudfältet. Egenskaper ljudfält delas in i linjär och energi.
Linjära ljudfältsegenskaper:
1. ljudtryck;
2. blandning av partiklar av mediet;
3. oscillationshastighet för partiklar i mediet;
4. Akustiskt motstånd i miljön;
Ljudfältets energiegenskaper:
1. styrka (intensitet) av ljud.
1. Ljudtryck är det extra tryck som uppstår när ljud passerar genom ett medium. Det är ett tilläggstryck till det statiska trycket i mediet, till exempel till luftens atmosfäriska tryck. Indikeras av symbolen R och mäts i enheter:
P = [N/m2] = [Pa].
2. Förskjutningen av mediets partiklar är ett värde lika med avvikelsen för mediets villkorade partiklar från jämviktspositionen. Indikeras av symbolen L, mätt i meter (cm, mm, km), L = [m].
3. Vibrationshastigheten för partiklar av mediet är hastigheten för förskjutning av partiklar av mediet i förhållande till jämviktspositionen under inverkan av en ljudvåg. Indikeras av symbolen u och beräknas som förskjutningsförhållandet L I tid t under vilken denna förskjutning inträffade. Beräknas med formeln:
Måttenhet [m/s], i icke-systemenheter cm/s, mm/s, µm/s.
4. Akustiskt motstånd är det motstånd som ett medium ger till en akustisk våg som passerar genom det. Formel för beräkning:
Enhet: [Pa s/m].
I praktiken används en annan formel för att bestämma akustisk impedans:
Z=p*v. Z-akustisk impedans,
p är mediets densitet, v är ljudvågens hastighet i mediet.
Av energiegenskaperna används bara en inom medicin och farmaci - ljudets styrka eller intensitet.
Styrkan (intensiteten) av ljud är ett värde lika med mängden ljudenergi E, passerar per tidsenhet t per ytenhet S. Indikeras av symbolen jag. Formel för beräkning: I=E/(S t) Enheter: [J/s m2]. Eftersom en Joule per sekund är lika med 1 Watt, alltså
jag = [ J/s m 2 ] = [ W/m2].
Psykofysiska egenskaper hos ljud.
Psykofysik är vetenskapen om sambandet mellan objektiva fysiska influenser och de resulterande subjektiva förnimmelserna.
Ur psykofysiks synvinkel är ljud en känsla som uppstår i den auditiva analysatorn när mekaniska vibrationer påverkar den.
Psykofysiskt är ljud uppdelat i:
Tonerna är enkla;
Tonerna är komplexa;
Inaktiv tonär ett ljud som motsvarar en sinusformad harmonisk mekanisk vibration av en viss frekvens. Graf av en enkel ton - en sinusvåg (se 3. Vågform).
Komplex ton- det här är ett ljud som består av ett olika (flera) antal enkla toner. Den komplexa tongrafen är en periodisk icke-sinusformad kurva (se 3. Vågform).
Ljud - Detta komplext ljud, bestående av stort antal enkla och komplexa toner, vars antal och intensitet ändras hela tiden. Lågintensiva ljud (ljudet av regn) är lugnande nervsystem, buller av hög intensitet (driften av en kraftfull elmotor, driften av stadstransporter) tröttar nervsystemet. Att bekämpa buller är en av den medicinska akustikens uppgifter.
Psykofysiska egenskaper hos ljud:
Tonhöjd
Ljudvolym
Ljud klang
Tonhöjdär en subjektiv egenskap hos frekvensen av ett hörbart ljud. Ju högre frekvens, desto högre tonhöjd.
Ljudvolym - Detta är en egenskap som beror på ljudets frekvens och styrka. Om ljudstyrkan inte ändras, ökar volymen med en ökning av frekvensen från 16 till - 1000 Hz. Vid en frekvens från 1000 till 3000 Hz förblir den konstant, med ytterligare ökning av frekvensen minskar volymen och vid frekvenser över 16 000 Hz blir ljudet ohörbart.
Loudness (ljudstyrka) mäts med en enhet som kallas "phon". Ljudstyrkan i bakgrunden bestäms med hjälp av speciella tabeller och grafer som kallas "isoakustiska kurvor".
Ljud klang- detta är den mest komplexa psykofysiska egenskapen hos uppfattat ljud. Timbre beror på antalet och intensiteten av enkla toner som ingår i ett komplext ljud. En enkel ton har ingen klang. Det finns inga enheter för att mäta klangfärgen.
Logaritmiska enheter för ljudmått.
Experiment har visat att stora förändringar i ljudets styrka och frekvens motsvarar mindre förändringar i volym och tonhöjd. Matematiskt motsvarar detta det faktum att ökningen av känslan av höjd och volym sker enligt logaritmiska lagar. I detta avseende började logaritmiska enheter användas för ljudmätningar. De vanligaste enheterna är "bel" och "decibel".
Bel är en logaritmisk enhet lika med decimallogaritmen för förhållandet mellan två homogena storheter. Om dessa mängder är två olika ljudintensiteter I 2 och I 1, kan antalet bels beräknas med formeln:
N B =log(I 2 /I 1)
Om förhållandet mellan I 2 och I 1 är 10, då är N B = 1 vit, om detta förhållande är 100, då 2 vita, 1000 - 3 vita. För andra förhållanden kan antalet bel beräknas med hjälp av logaritmtabeller eller med hjälp av en mikroräknare.
En decibel är en logaritmisk enhet lika med en tiondels bel.
Indikeras med dB. Beräknat med formeln: N dB =10·lg(I 2 /I 1).
Decibel är en mer bekväm enhet för övning och används därför oftare i beräkningar.
En oktav är en logaritmisk enhet för medicinsk akustik som används för att karakterisera frekvensintervall.
En oktav är ett intervall (band) av frekvenser där förhållandet mellan den högre frekvensen och den lägre frekvensen är två.
Kvantitativt är frekvensintervallet i oktaver lika med den binära logaritmen för förhållandet mellan två frekvenser:
N OKT =log 2 (f 2 /f 1). Här är N antalet oktaver i frekvensintervallet;
f 2, f 1 - gränser för frekvensintervallet (extrema frekvenser).
En oktav erhålls när frekvensförhållandet är två: f 2 / f 1 =2.
Inom medicinsk akustik används vanliga oktavfrekvensgränser.
Inom varje intervall anges genomsnittliga rundade oktavfrekvenser.
Frekvensgränserna på 18 - 45 Hz motsvarar den genomsnittliga oktavfrekvensen - 31,5 Hz;
frekvensgränserna på 45-90 Hz motsvarar en genomsnittlig oktavfrekvens på 63 Hz;
gränser 90-180 Hz - 125 Hz.
Sekvensen av genomsnittliga oktavfrekvenser vid mätning av hörselskärpa kommer att vara följande frekvenser: 31,5, 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Hz.
Förutom vitt, decibel och oktav in akustik Den logaritmiska enheten "decennium" används. Frekvensintervallet i decennier är lika med decimallogaritmen för förhållandet mellan två extrema frekvenser:
N dec =log(f2/f1).
Här är N decennier antalet decennier i frekvensintervallet;
f 2, f 1 - gränser för frekvensintervallet.
Ett decennium erhålls när förhållandet mellan intervallets extrema frekvenser är lika med tio: f 2 / f 1 = 10.
I skaltermer är ett decennium lika med vitt, men används endast inom akustik, och endast för att karakterisera frekvensförhållandet.
Förutsättningar för människans uppfattning av ljud.
Z Ljudfältet visas som rörelseenergi vibrerande materialkroppar, ljudvågor i media med elastisk struktur (fasta ämnen, vätskor och gaser). Processen för utbredning av vibrationer i ett elastiskt medium kallas Vinka. Ljudvågens utbredningsriktning kallas ljudstråle, och ytan som förbinder alla angränsande punkter i fältet med samma oscillationsfas för mediets partiklar är vågfront. I fasta ämnen vibrationer kan fortplanta sig i både längsgående och tvärgående riktningar. De sprider sig bara i luften längsgående vågor.
Gratis ljudfält kallas ett fält där den direkta ljudvågen dominerar, och reflekterade vågor är frånvarande eller försumbart små.
Diffust ljudfält- detta är ett fält där ljudenergins täthet vid varje punkt är densamma och i alla riktningar vars identiska energiflöden utbreder sig per tidsenhet.
Ljudvågor kännetecknas av följande grundparametrar.
Våglängd- lika med förhållandet mellan ljudets hastighet (340 m/s i luft) och frekvensen av ljudvibrationer. Således kan våglängden i luft variera från 1,7 cm (för f= 20 000 Hz) upp till 21 m (för f= 16 Hz).
Ljudtryck- definieras som skillnaden mellan ljudfältets momentana tryck vid en given punkt och det statistiska (atmosfäriska) trycket. Ljudtrycket mäts i Pascal (Pa), Pa = N/m2. Fysiska analoger – elektrisk spänning, ström.
Ljudintensitet– den genomsnittliga mängden ljudenergi som passerar per tidsenhet genom en enhetsyta vinkelrät mot vågens utbredningsriktning. Intensiteten mäts i enheter W/m2 och representerar den aktiva komponenten av kraften hos ljudvibrationer. Den fysiska analogen är elektrisk kraft.
Inom akustik visas mätresultaten vanligtvis i form av relativa logaritmiska enheter. För att utvärdera hörselsensationen används en enhet som kallas Bel (B). Eftersom Bel är en ganska stor enhet infördes ett mindre värde - decibel (dB) lika med 0,1 B.
Ljudtryck och ljudintensitet uttrycks i relativa akustiska nivåer:
,
Nollvärden för akustiska nivåer motsvarar allmänt accepterade 
och W/m 2 med harmonisk ljudvibration med en frekvens på 1000 Hz. De givna värdena motsvarar ungefär de minimivärden som orsakar hörselförnimmelser ( absolut tröskelvärde hörbarhet).
Villkor för att mäta mikrofonens egenskaper. Akustiska mätningar har ett antal specifika egenskaper. Således måste mätningen av vissa egenskaper hos elektroakustisk utrustning utföras under fria fältförhållanden, dvs. när det inte finns några reflekterade vågor.
I vanliga rum kan detta villkor inte uppfyllas, och att göra mätningar utomhus är svårt och inte alltid möjligt. För det första, utomhus är det svårt att undvika reflektioner från ytor som marken. För det andra beror mätningar i detta fall på atmosfäriska förhållanden (vind etc.) och kan leda till stora fel, för att inte tala om en rad andra olägenheter. För det tredje, i det fria är det svårt att undvika påverkan av främmande (industriellt, etc.) buller.
Därför, för att utföra mätningar i ett fritt fält, används speciella ljuddämpade kammare, där reflekterade vågor praktiskt taget är frånvarande.
Mätning av mikrofonegenskaper i en ekofri kammare. För att mäta känsligheten hos en frittfältsmikrofon skulle man först mäta ljudtrycket vid den punkt där mikrofonen som testas skulle placeras och sedan placera den vid den punkten. Men eftersom det praktiskt taget inte finns någon störning i kammaren, och avståndet mellan mikrofonen från högtalaren är lika med 1 - 1,5 m (eller mer) med en emitterdiameter på högst 25 cm, kan mätmikrofonen placeras nära till mikrofonen som testas. Diagrammet för mätinställningen visas i fig. 4. Känsligheten bestäms över hela det nominella frekvensområdet. Genom att ställa in önskat tryck med hjälp av en ljudtrycksmätare (ljudmätare), mät spänningen som utvecklas av mikrofonen som testas och bestäm dess axiella känslighet.
E O.C. = U M /P( mV/Pa)
Känsligheten bestäms antingen av öppen kretsspänning eller av spänning vid märklast. Som regel tas den interna motståndsmodulen hos en mikrofon vid en frekvens på 1000 Hz som märklast.
Fig.4. Funktionsdiagram för mätning av mikrofonkänslighet:
1 - tongenerator eller vitt brus; 2 - oktavfilter (en tredjedels oktav); 3 - förstärkare; 4 - ekofri kammare; 5 – akustisk sändare; 6 - mikrofon under test; 7 - mätmikrofon; 8 - millivoltmeter; 9 - millivoltmeter, graderad i pascal eller decibel (ljudnivåmätare).
Känslighetsnivå definieras som känsligheten, uttryckt i decibel, i förhållande till ett värde lika med 1.
Standard känslighetsnivå (i decibel) definieras som förhållandet mellan den spänning som utvecklas vid det nominella belastningsmotståndet vid ett ljudtryck på 1 Pa och den spänning som motsvarar effekt = 1 mW och beräknas med formeln:
var är spänningen (V) som utvecklas av mikrofonen vid det nominella belastningsmotståndet (Ohm) vid ett ljudtryck på 1 Pa.
Frekvenssvar mikrofonkänslighet är beroendet av mikrofonkänslighet på frekvens vid konstanta värden av ljudtryck och mikrofonmatningsström. Frekvenssvaret mäts genom att smidigt ändra frekvensen på generatorn. Baserat på det erhållna frekvenssvaret bestäms dess ojämnhet i de nominella och driftsmässiga frekvensområdena.
Riktningsegenskaper Mikrofonen tas bort enligt samma schema (fig. 4), och beroende på uppgiften, antingen vid flera frekvenser, med hjälp av en tongenerator, eller för en brussignal i en tredjedels oktavband, eller för ett givet frekvensband, använda ett motsvarande bandpassfilter istället för en tredjedels oktavfilter.
För att mäta riktningsegenskaperna är mikrofonen som testas monterad på en roterande skiva med en ratt. Disken roteras manuellt eller automatiskt, synkront med inspelningsbordet. Karakteristiken tas i ett plan som går genom mikrofonens arbetsaxel, om det är en rotationskropp runt sin axel. För andra mikrofonformer tas karakteristiken för givna plan som passerar genom arbetsaxeln. Rotationsvinkeln mäts mellan arbetsaxeln och riktningen mot ljudkällan. Direktivitetskarakteristiken är normaliserad i förhållande till den axiella känsligheten.
Ljudfältet* förstås som det begränsade utrymmet där ett hydroakustiskt meddelande sprids. Ljudfältet kan existera i vilket elastiskt medium som helst och representerar vibrationer av dess partiklar som är ett resultat av påverkan av yttre störande faktorer. Ett utmärkande drag för denna process från alla andra ordnade rörelser av partiklar i mediet är att med små störningar är utbredningen av vågor inte associerad med överföringen av själva ämnet. Med andra ord svänger varje partikel i förhållande till den position den intog före störningen.
Ett idealiskt elastiskt medium där ett ljudfält utbreder sig kan representeras som en uppsättning absolut stela element som är förbundna med varandra genom elastiska bindningar (fig. 1.1). Det nuvarande tillståndet för en oscillerande partikel i detta medium kännetecknas av dess offset U i förhållande till jämviktspositionen, oscillerande hastighet v Och frekvens tvekan. Svängningshastigheten bestäms av den första tidsderivatan av partikelförskjutningen och är ett viktigt kännetecken för processen i fråga. Som regel är båda parametrarna harmoniska funktioner av tid.
Partikel 1
(Fig. 1.1), förskjuten med mängden U från dess jämviktsposition, genom elastiska bindningar, påverkar den partiklarna som omger den, vilket gör att de också förskjuts. Som ett resultat börjar en störning som introduceras utifrån spridas i det aktuella mediet. Om lagen om förändring i partikelförskjutning 1
bestäms av jämlikhet 
Var Umär amplituden för partikeloscillation, och w- frekvens av svängningar, sedan andras rörelselag i– s partiklar kan representeras i formen:
Var U mi– vibrationsamplitud i- åh partiklar, y i– fasförskjutning av dessa svängningar. När mediet (partiklarna) rör sig bort från excitationskällan 1 ) vibrationsamplitudvärden U mi på grund av energiförlust kommer att minska, och fasförskjutningar y i på grund av den begränsade hastigheten för excitationsutbredning ökar den. Alltså under ljudfält kan också förstås som en samling av oscillerande partiklar av mediet.
Om vi i ett ljudfält väljer partiklar som har samma svängningsfas får vi en kurva eller yta, som kallas vågfront. Vågfronten rör sig hela tiden bort från störningskällan med en viss hastighet, vilket kallas hastighet för utbredning av vågfronten, hastighet för utbredning av våg eller bara ljudets hastighet i denna miljö. Vektorn för den indikerade hastigheten är vinkelrät mot vågfrontens yta vid den aktuella punkten och bestämmer riktningen ljudstråle, längs vilken vågen utbreder sig. Denna hastighet beror avsevärt på mediets egenskaper och dess nuvarande tillstånd. Vid ljudvågsutbredning i havet beror ljudets hastighet på vattnets temperatur, dess densitet, salthalt och en rad andra faktorer. Sålunda, med en ökning av temperaturen med 1 0 C, ökar ljudhastigheten med cirka 3,6 m/s, och med en ökning av djupet med 10 m, ökar den med cirka 0,2 m/s. I genomsnitt, under marina förhållanden, kan ljudets hastighet variera mellan 1440 – 1585 m/s. Om onsdag anisotropisk, dvs. har olika egenskaper i olika riktningar från störningens centrum, så kommer även ljudvågens utbredningshastighet att vara olika, beroende på dessa egenskaper.
I allmänhet bestäms hastigheten för utbredning av en ljudvåg i en vätska eller gas av följande uttryck:
(1.2)
Var TILL– mediets volymetriska elasticitetsmodul, r 0– det ostörda mediets densitet, dess statiska densitet. Bulkelasticitetsmodulen är numeriskt lika med spänningen som uppstår i mediet vid dess enhets relativa deformation.
En elastisk våg kallas längsgående, om vibrationerna hos partiklarna i fråga uppträder i vågutbredningsriktningen. Vågen kallas tvärgående, om partiklarna svänger i plan som är vinkelräta mot vågens utbredningsriktning.
Tvärvågor kan bara uppstå i ett medium som har en elastisk form, d.v.s. kan motstå skjuvdeformation. Endast fasta kroppar har denna egenskap. Longitudinella vågor är förknippade med volymetrisk deformation av mediet, så de kan fortplanta sig både i fasta ämnen och i flytande och gasformiga medier. Undantaget från denna regel är ytlig vågor som bildas på den fria ytan av en vätska eller på gränsytan mellan oblandbara medier med olika fysiska egenskaper. I det här fallet utför flytande partiklar samtidigt longitudinella och tvärgående vibrationer, vilket beskriver elliptiska eller mer komplexa banor. Ytvågornas speciella egenskaper förklaras av att tyngdkrafterna och ytspänningen spelar en avgörande roll för deras bildning och utbredning.
Under svängningsprocessen i ett stört medium uppstår zoner med ökat och minskat tryck och densitet i förhållande till jämviktstillståndet. Tryck 
var är dess momentana värde i ljudfältet, och är mediets statiska tryck i frånvaro av excitation, kallas ljud och är numeriskt lika med den kraft med vilken vågen verkar på en enhetsarea installerad vinkelrätt mot riktningen för dess utbredning. Ljudtryck är en av de viktigaste egenskaperna för miljöns tillstånd.
För att bedöma förändringar i mediets densitet kallas ett relativt värde täta med, som bestäms av följande likhet:
(1.3)
Var r 1 – det momentana värdet av mediets densitet vid den punkt som är intressant för oss, och r 0 – dess statiska densitet.
Alla ovanstående parametrar kan bestämmas om någon skalär funktion anropas potential j för vibrationshastighet. I enlighet med Helmholtz-satsen karakteriserar denna potential fullt ut akustiska vågor i flytande och gasformiga medier och är associerad med oscillerande hastighet v följande jämställdhet:
. (1.4)
En longitudinell ljudvåg kallas platt, om dess potential j och andra relaterade storheter som kännetecknar ljudfältet beror endast på tid och en av de kartesiska koordinaterna, till exempel, X(Fig. 1.2). Om de nämnda mängderna endast beror på tid och avstånd r från någon punkt O utrymme som kallas mitten av vågen, longitudinell ljudvåg kallas sfärisk. I det första fallet kommer vågfronten att vara en linje eller ett plan, i det andra en båge eller sektion av en sfärisk yta.
I elastiska medier, när man överväger processer i ljudfält, kan principen om överlagring användas. Således, om ett system av vågor som bestäms av potentialer fortplantar sig i ett medium j 1 …j n, då kommer potentialen för den resulterande vågen att vara lika med summan av de angivna potentialerna:
(1.5)
Men när man överväger processer i kraftfulla ljudfält bör man ta hänsyn till möjligheten av icke-linjära effekter som kan göra användningen av superpositionsprincipen oacceptabel. Dessutom när höga nivåer En påverkan som stör miljön kan radikalt störa miljöns elastiska egenskaper. Således, i ett flytande medium, kan luckor fyllda med luft uppstå och dess kemisk struktur etc. På den tidigare presenterade modellen (Fig. 1.1.) kommer detta att motsvara att bryta de elastiska bindningarna mellan mediets partiklar. I det här fallet kommer energin som spenderas på att skapa svängningar praktiskt taget inte att överföras till andra lager, vilket gör det omöjligt att lösa ett eller annat praktiska problem. Det beskrivna fenomenet kallas kavitation.
Ur en energisk synvinkel kan ett ljudfält kännetecknas av flöde av ljudenergi eller ljudkraft P, som bestäms av mängden ljudenergi W passerar genom en given yta per tidsenhet:
(1.6)
Ljudeffekt per område s yta under övervägande, bestämmer intensitet ljudvåg:
(1.7) I det sista uttrycket antas det att energin är jämnt fördelad på platsen s.
Begreppet används ofta för att karakterisera ljudmiljön ljudenergitäthet, vilket definieras som mängden ljudenergi per volymenhet av ett elastiskt medium.
Låt oss utforska förhållandet mellan individuella parametrar i ljudfältet.
1.3 Kontinuitetsekvationen för mediet
Kontinuitetsekvationen för ett medium kopplar samman hastighetspotentialen och dess kompaktering. I avsaknad av diskontinuiteter i mediet äger lagen om massans bevarande rum, som kan skrivas i följande form:
Var W 1 Och r 1– volym och densitet av vätska i ljudfältet, och W 0 Och r 0– samma parametrar i frånvaro av störningar. Denna lag säger att i ett kontinuerligt linjärt medium orsakar en volymförändring en sådan förändring av mediets densitet att deras produkt, som motsvarar massan av den aktuella volymen, alltid förblir konstant.
För att ta hänsyn till komprimeringen av mediet, subtraherar vi produkten från vänster och höger sida av jämlikhet (1.8) W 0 r 1. Som ett resultat kommer vi att ha:
(1.9)
Det är accepterat här 
Detta antagande är möjligt på grund av det faktum att variationer i vätskans volym och densitet i ultraljudsfrekvensområdet är obetydliga i förhållande till deras absoluta värde och ersättningen av kvantiteterna i nämnaren för likhet (1,9) r 1 på r 0 har praktiskt taget ingen effekt på analysresultatet.
Låta ρ 1= 1,02 g/cm3, a ρ 0
= 1,0 g/cm3. Sedan
A 
. Det relativa felet för de accepterade antagandena är 
.
Låt oss uttrycka den relativa volumetriska deformationen av mediet, representerad av den vänstra sidan av jämlikhet (1.9), genom de partiella förskjutningarna av vätskepartiklar och ta hänsyn till att höger del den specificerade jämlikheten bestämmer komprimeringen av mediet. Då har vi:
(1.10)
Var U x , U y Och U z- förskjutning av mediumpartiklar längs motsvarande axlar i det ortogonala koordinatsystemet.
Låt oss särskilja den sista jämlikheten med avseende på tid:
Här v x, v y Och v z– komponenter av oscillerande hastighet längs samma axlar. Med tanke på att
(1.12)
(1.13) där с är Hamilton-operatorn som definierar rumslig differentiering:
(1.14)
| Viktig! |
Ekvation för oscillerande rörelse
Ekvationen för oscillerande rörelse relaterar hastighetspotentialen och ljudtrycket. För att härleda denna ekvation väljer vi en elementär volym i ljudfältet, som oscillerar längs axeln Åh(Fig. 1.3.) I enlighet med Newtons lag kan vi skriva:
(1.15)
Var F – kraft som verkar på en vald volym i axelns riktning Åh,
m– massan av en given volym, j– acceleration av volymrörelse längs samma axel . Om vi betecknar trycken som verkar på kanten av den valda volymen som p 1 Och p 2, och acceptera det > och sedan tvinga F kan definieras av följande likhet:
(1.16)
Var 
Att ersätta uttryck (1.16) med likhet (1.15) och ta hänsyn till det 
och acceleration 
och även genom att utföra den begränsande övergången till oändligt små kvantiteter finner vi:
(1.17)
Med hänsyn till det 
Och 
vi får äntligen:
. (1.18)
Den sista ekvationen innehåller inga koordinater och är därför giltig för en våg av vilken form som helst.
Mediets tillståndsekvation
Mediets tillståndsekvation i förhållande till ett ultraljudsfält, där alla processer sker praktiskt taget utan temperaturförändring, uttrycker förhållandet mellan mediets tryck och densitet. I en idealisk vätska där det inte finns några viskösa friktionskrafter är ljudtrycket R proportionell mot mediets styvhet TILL och dess komprimering c: 
Men om mediet är verkligt, så finns det viskösa friktionskrafter i det, vars storlek är proportionell mot mediets viskositet och förändringshastigheten i mediets tillstånd, i synnerhet förändringshastigheten i dess packning. Därför kommer uttrycket som bestämmer trycket i ett visköst medium att få en komponent beroende på de specificerade faktorerna:
(1.19)
där L är proportionalitetskoefficienten. Som ett resultat av experiment hittades en uppskattning av denna koefficient, vilket gjorde att det slutliga uttrycket som definierade miljöns tillstånd kunde skrivas i formen:
(1.20) där h är koefficienten för dynamisk (Newtonsk) viskositet för mediet. Den resulterande ekvationen är giltig för alla vågformer.
Våg ekvation
Vågekvationen bestämmer lagen för förändring i hastighetspotential. För att härleda denna ekvation ersätter vi uttryck (1.20) för mediets tillstånd med likhet (1.18). Som ett resultat får vi:
(1.21)
För att representera komprimeringen av mediet genom hastighetspotentialen, differentierar vi uttryck (1.21) med avseende på tid:
(1.22)
Med hänsyn till beroende (1.13), erhållet från villkoret för kontinuitet hos mediet och jämlikhet (1.2), skriver vi den önskade vågekvationen i sin slutliga form:
(1.23)
Om vågen är plan och utbreder sig till exempel längs axeln Åh, då beror hastighetspotentialen endast på koordinaten X och tid. I det här fallet kommer vågekvationen att ha en enklare form:
(1.24) Genom att lösa de resulterande ekvationerna kan man hitta förändringslagen i hastighetspotentialen och, som en konsekvens, vilken parameter som helst som kännetecknar ljudfältet.
Analys av ljudfältets huvudparametrar
Låt oss först bestämma parametrarna som kännetecknar en plan övertonsvåg. För detta låt oss hitta en lösning ekvation (1.24), som är linjär differentialekvation andra ordningen och har därför två rötter. De angivna rötterna representerar två processer j 1 (x,t) Och j2(x,t), definierar vågor som utbreder sig i motsatta riktningar. I ett isotropiskt medium är parametrarna för ljudfältet vid punkter på samma avstånd från strålningskällan desamma, vilket gör att vi kan begränsa oss till att bara hitta en lösning, till exempel för en våg j 1, fortplantar sig i axelns positiva riktning Åh.
Eftersom den specifika lösningen är en funktion av den aktuella koordinaten och tiden, kommer vi att leta efter den i följande form:
Var 
- vågfrekvens, m– den erforderliga koefficienten som bestämmer hastighetspotentialens beroende av rumsliga koordinater, 
- vågnummer, 
. Beräknar nödvändiga derivator av j 1 och genom att ersätta dem i ekvation (1.24) finner vi:
(1.26) Lösning av den sista jämställdheten med avseende på m och med hänsyn till att en våg som avtar med avståndet från störningskällan motsvarar dess negativa värde, kommer vi att ha:
(1.27)
I ett ultraljudsfält är den andra termen inom parentes av uttryck (1.27) betydligt mindre än enhet, vilket gör att vi kan expandera detta uttryck till en kraftserie, vilket begränsar oss till två termer:
(1.28)
Ersätter det hittade värdet m in i jämlikhet (1.25) och införa notationen
(1.29)
låt oss hitta det slutliga uttrycket för hastighetspotentialen j 1:
Särskild lösning för potential j 2 kan hittas på samma sätt som det aktuella fallet:
Låt oss använda de resulterande uttrycken för att bestämma de grundläggande parametrarna för ljudfältet.
Ljudtrycket i utbredningszonen för en positivt riktad våg bestäms av följande likhet:
(1.32)
Var 
.
Om vi vänder oss till jämlikhet (1,4) och tar hänsyn till det i ett ultraljudsfält >> A, då kan uttrycket för den oscillerande hastigheten skrivas i följande form:
Var 
De resulterande uttrycken visar att förändringar i de aktuella värdena för ljudtryck och vibrationshastighet inträffar i fas, som ett resultat av vilket på platser där mediet är komprimerat, sammanfaller vektorn för vibrationshastigheten i riktning med utbredningshastigheten för vågfront, och på sällsynta platser är den mitt emot den.
Låt oss hitta förhållandet mellan ljudtryck och vibrationshastighet, som kallas specifikt akustiskt motstånd:
(1.34)
Specifik akustisk resistans är en viktig egenskap hos mediet, som påverkar många parametrar för de processer som sker i det.
Utbredning av ljudvågor
När du skapar hydroakustiska enheter är en av de viktigaste uppgifterna det korrekta valet av strålningsparametrar: sändningssignalens bärfrekvens, metoden för att modulera signalen och dess energiegenskaper. Vågens utbredningsområde, egenskaperna för dess reflektion och passage genom olika gränssnitt mellan medier med olika fysikaliska egenskaper och möjligheten att isolera signalen från bruset som följer med den beror på detta.
Som noterats ovan är en av de viktigaste energiegenskaperna hos en hydroakustisk signal dess intensitet. Uttrycket som definierar denna parameter kan hittas från följande överväganden. Låt oss betrakta någon elementär sektion av vågfronten med en area , som, medan den oscillerar, över tiden skiftar relativt den initiala positionen med ett belopp 
Denna förskjutning kommer att motverkas av krafter 
intern interaktion. Arbete kommer att läggas ner för att övervinna dessa krafter. Den kraft som krävs för att säkerställa de aktuella vibrationerna definieras som det arbete som förbrukas per tidsenhet:
(1.35)
Var T– vågperiod. I sin tur bestäms intensiteten av kraften som förbrukas på rörelse enda vågfrontsarea och kommer därför att vara lika med:
(1.36)
Genom att ersätta likheter (1.32) och (1.33) i det resulterande uttrycket finner vi:
Med tanke på att 0,5 
- signalintensitet i omedelbar närhet av sändaren, då kommer lagen om intensitetsändring med avståndet från källan att bestämmas av följande likhet:
(1.38)
Den sista formeln erhölls av den engelske fysikern och matematikern Stokes och bär hans namn. Den visar att när du rör dig bort från strålningskällan minskar ljudvågens intensitet exponentiellt. Dessutom, som följer av uttrycket (1.29), dämpningsindexet Aär proportionell mot kvadraten på oscillationsfrekvensen för den utsända vågen. Detta medför vissa restriktioner för valet av bärvågsfrekvenser för meddelandena, speciellt under långdistansavkänning.
Men med Stokes formel är det inte alltid möjligt att få en korrekt uppskattning av ljudvågsdämpningsprocessen. Experiment visar alltså att ljudvågor i havsmiljön dämpas mycket snabbare än vad det följer av ovanstående uttryck. Detta fenomen beror på skillnaden mellan egenskaperna hos den verkliga miljön och den idealiserade, som vanligtvis beaktas när man löser teoretiska problem, samt det faktum att den marina miljön är en heterogen vätska, inklusive levande organismer, luftbubblor och andra föroreningar.
I praktiken används vanligtvis olika empiriska formler för att bestämma förändringslagen i en ljudvågs intensitet. Så, till exempel, med dess frekvenser som ligger i intervallet 7,5 - 60 kHz, värdet på koefficienten A i decibel per kilometer (dB/km) kan uppskattas med hjälp av följande samband:
, (1.39)
och lagen om intensitetsförändringar vid avstånd från vibratorn som inte överstiger 200 km, med ett fel på upp till 10%, bestäms av likheten:
(1.40)
I fallet med en sfärisk våg, intensiteten
. (1.41)
Av det sista uttrycket följer att vågen försvagas i stor utsträckning på grund av att dess front expanderar med ökande avstånd r.
En ultraljudsvåg fortplantar sig i en rak linje när den rör sig i ett homogent isotropiskt medium. Men om mediet är inhomogent, så böjs ljudstrålens bana, och under vissa förhållanden kan signalen också reflekteras från mellanskikt av det vattenhaltiga mediet. Fenomenet med krökning av ljudstrålar på grund av den marina miljöns heterogenitet kallas brytning av ljud. Ljudbrytning kan ha en betydande inverkan på noggrannheten i hydroakustiska mätningar, så graden av dess påverkan måste i de flesta fall bedömas.
När en stråle utbreder sig mot botten passerar den som regel genom tre zoner längs sin väg: en isotermisk (med konstant temperatur) ytzon, en temperaturhoppzon, kännetecknad av en skarp negativ temperaturgradient, och en nära- botten isotermisk zon (Fig. 1.4). Tjockleken på stötzonen kan vara flera tiotals meter. När en ljudvåg passerar genom stötskiktet observeras stark brytning och en signifikant minskning av ljudintensiteten. Minskningen i intensitet beror på divergensen av strålarna på grund av skarp brytning vid chockskiktets övre gräns, såväl som deras reflektion från detta skikt. De extrema strålarna från den delade strålen bildar en zon av ljudskugga.
| Fig.1.4. |
stiga upp stående Vinka. En egenskap hos en stående våg är att alla dess punkter oscillerar med samma fas och bildar med intervaller lika med en fjärdedel av svängningsvåglängden, antinoder, där svängningarnas amplitud är maximal, och noder, där det inte finns några svängningar vid Allt. En stående våg överför praktiskt taget ingen energi.
Reflektion och brytning av ljudvågor
När en våg faller på gränsytan mellan två medier exciteras partiklar av mediet som hör till denna gräns. Oscillationer av gränspartiklar ger i sin tur upphov till vågprocesser, både i den infallande vågens medium och i mediet intill den. Den första vågen kallas reflekteras, och den andra – bryts. Vinklar 
och (fig. 1.5) mellan normalen till gränssnittet och strålarnas riktning kallas vinklar faller, 
reflektioner Och refraktion, respektive. Enligt Descartes lagar äger följande jämlikheter rum:
(1.42)
Om flera gränssnitt mellan media påträffas längs strålens utbredningsväg kommer likheten att vara sann:
(1.43)
Kvantiteten kallas Snell är konstant. Dess värde ändras inte längs ljudstrålen.
Energiförhållandena i infallande, reflekterade och brutna strålar bestäms med hjälp av koefficienterna A Och I reflektion respektive refraktion. Dessa koefficienter bestäms av följande likheter:
(1.44)
Det kan visas att i media med samma akustiska motstånd överförs ljudenergin fullständigt från ett medium till ett annat. Om det finns en stor skillnad i medias akustiska motstånd reflekteras nästan all infallande energi från gränsytan mellan media.
De betraktade mönstren äger rum om den reflekterande ytans dimensioner överstiger den infallande strålningens våglängd. Om dess våglängd fler storlekar reflekterande yta, då reflekteras som regel vågen delvis från hindret (spridd) och böjer sig delvis runt det. Fenomenet att en våg böjer sig runt ett hinder kallas ljuddiffraktion. Diffraktion förekommer även i föremål vars dimensioner överstiger oscillationsvåglängden, men i detta fall manifesterar fenomenet sig endast vid kanterna av den reflekterande ytan. En akustisk skuggzon bildas bakom hindret, där det inte finns några ljudvibrationer. Samtidigt, framför ett hinder, blir ljudfältsmönstret mer komplicerat på grund av samspelet mellan infallande, reflekterade och diffraktionsvågor. En ljudvåg kan reflekteras från många föremål utspridda havsvatten, såsom luftbubblor, plankton, partiklar av fasta flytande ämnen, etc. I detta fall kallas den reflekterade signalen en signal volumetrisk reverb. Det uppfattas av strålningsmottagaren som ett oscillerande eko i det ögonblick som signalen sänds. I början kan detta eko ha en ganska hög nivå, för att sedan snabbt tona bort.
Efterklang kan uppstå på grund av spridning av ljud från plana ytor som har små oregelbundenheter jämfört med våglängden. Oftast är sådana ytor havets botten eller yta. Denna efterklang kallas botten eller ytlig, respektive.
. Grundläggande principer för hydroakustiskt ljud
Nästan alla hydroakustiska navigationsanordningar som används i transportflottan fungerar i läget för aktiv avkänning av vattenutrymmet. Utvecklingen av enheter som implementerar detta läge kräver följande:
§ fastställa kraven för sonderingsstrålning utifrån innehållet i det problem som ska lösas;
§ fastställande av kraven för mottagnings- och sändningsantenner;
§ analys av villkoren för utbredning av sonderingssignalen och bedömning av den mottagna signalens natur;
§ utveckling av krav för systemets ingångsblock som utför den primära omvandlingen av den mottagna signalen;
§ bestämma sammansättningen av mottagningsvägen, som omvandlar primär information till den form som är nödvändig för dess visning eller vidare användning av andra enheter eller system;
§ bestämma sammansättningen av informationsvisnings- och inspelningsanordningar;
§ formulera kraven för utsignalen från en hydroakustisk enhet från andra enheter som samverkar med den.
Som nämnts ovan kan sonderingsstrålningen vara kontinuerlig eller pulsad. Kontinuerlig strålning med samma signalamplituder har den högsta medeleffekten, vilket kan vara en avgörande fördel vid sondering av områden ganska långt från strålkällan. En högre medeleffekt för den emitterade signalen tillåter inte bara att öka nivån på den mottagna reflekterade signalen, utan också ofta för att undvika fenomenet kavitation. Oftast används denna typ av strålning i dopplersystem för att mäta fartygshastighet.
Om det är nödvändigt att mäta avstånd till reflekterande föremål måste kontinuerlig strålning först moduleras på ett speciellt sätt. Korrekt val av metoden för modulering och bearbetning av den mottagna signalen gör att du kan skapa de mest exakta mätsystemen. Det bör emellertid beaktas att den mottagna signalen i det aktuella fallet som regel åtföljs av ganska betydande störningar som är resultatet av volymetrisk efterklang.
Pulserad strålning kännetecknas av pulsens form, dess varaktighet T och(Fig. 1.6), frekvens eller pulsupprepningsperiod. Oftast används rektangulära pulser (fig. 1.6.a), som är de mest energimättade. På senare tid användes den exponentiella formen ganska flitigt (fig. 2.6, b) på grund av att den var lättare att implementera tekniskt. Att lösa individuella problem kan kräva skapandet av pulser med en mer komplex form av deras kuvert.
Pulsens varaktighet är av stor betydelse, eftersom den, tillsammans med dess amplitud, bestämmer effekten som finns i den och följaktligen det maximala avkänningsområdet. Dessutom beror avståndsupplösningen på pulslängden, dvs. den minsta intervallskillnaden som kan mätas av systemet. I själva verket, på grund av det faktum att pulsen är en bärare av enkel information, kommer alla förändringar i räckvidd inom dess rumsliga omfattning inte att registreras av systemet. Med tanke på att pulsen går dubbelt så långt - till reflektorn och tillbaka, kommer systemets upplösning att vara lika med halva pulsens rumsliga längd:
(1.45)
I praktiken ligger pulslängden oftast i intervallet från 10 -5 Med upp till 10 -3 Med.
Pulsupprepningshastigheten väljs vanligtvis så att den efterföljande pulsen i vilket arbetsområde som helst avges först efter det att den reflekterade har tagits emot. Perioden med andra ord t sid Pulssekvensen måste uppfylla olikheten: 
Var 
- maximalt ljudområde i arbetsområdet, - genomsnittlig ljudhastighet i vatten, vanligtvis lika med 1500 m/c. Detta tillvägagångssätt skapar förutsättningar för att använda en antenn som en mottagnings- och sändningsantenn. I vissa fall kan pulsrepetitionsfrekvensen väljas baserat på andra överväganden.
När man ställer krav på en sonderingssignal är det mycket viktigt att korrekt välja strålningens bärfrekvens. Dämpningen av signalen, dess reflektion från gränssnitten mellan media och olika objekt, liksom vågfrontens bana beror till stor del på den. Att minska bärfrekvensen kräver som regel en ökning av storleken på antennenheterna, men hjälper till att öka avkänningsområdet.
För att formulera de grundläggande kraven för antennsystemet är det nödvändigt:
§ bestämma antalet antenner och utformningen av deras placering på fartyget;
§ välja den bästa graden av strålningsdirektivitet;
§ välj den typ av element som omvandlar elektrisk energi till mekanisk energi och vice versa, samt typen av antenn;
§ fastställa metoden för att installera antenner ombord på fartyget.
Antalet antenner som används och deras placeringsschema bestäms av typen av problemet som löses, såväl som närvaron eller frånvaron av deras redundans för att öka systemets tillförlitlighet. Varje antenn kan monteras ombord på fartyget självständigt eller så kan alla antenner kombineras till en antennenhet, som vanligtvis är installerad i en klinker. Ett sådant block kan innehålla upp till 20 eller fler antenner, som i detta fall mer lämpligt kallas vibratorer.
Den erforderliga graden av strålningsdirektivitet dikteras också av typen av problemet som löses.
Ferromagnetiska och piezokeramiska vibratorer används som omvandlare av elektrisk energi till mekanisk energi och tillbaka, vars funktionsprincip diskuteras nedan.
generella egenskaper sändar-mottagarantenner
Ferromagnetiska omvandlare av elektrisk energi till mekanisk energi använder magnetostriktionseffekten. Kärnan i denna effekt är att när det magnetiska tillståndet hos en produkt gjord av ferromagnetiskt material ändras, ändras dess dimensioner något. Provet deformeras och denna deformation ökar med ökande intensitet av dess magnetisering. Om vi tar en stavkärna som ett prov, utrusta den med en lindning och driv den växelström, då kommer längden på kärnan att ändras med jämna mellanrum. Den elektriska energi som förbrukas på dess magnetisering omvandlas till mekanisk vibrationsenergi som kan excitera ett ljudfält i det elastiska medium i vilket staven ifråga är placerad.
Det finns också motsatt effekt. Om kärnan är gjord av ett ferromagnetiskt material med viss restmagnetisering är den något deformerad, dvs. ändra sin inre spänning, då kommer spänningen att förändras magnetiskt fält förknippas med det. I detta fall kommer förändringen i magnetfältet att orsakas av
Ljud- mänskliga hörselförnimmelser orsakade av mekaniska vibrationer av ett elastiskt medium, uppfattade i frekvensområdet (16 Hz - 20 kHz) och vid ljudtryck som överstiger den mänskliga hörseltröskeln.
Vibrationsfrekvenserna för mediet som ligger under och över hörbarhetsintervallet kallas respektive infraljud Och ultraljuds- .
1. Grundläggande egenskaper för ljudfältet. Ljudspridning
A. Ljudvågsparametrar
Ljudvibrationer av partiklar i ett elastiskt medium är komplexa och kan representeras som en funktion av tiden a = a(t)(Figur 3.1, A).
Fig.3.1. Vibrationer av luftpartiklar.
Den enklaste processen beskrivs av en sinusform (Fig. 3.1, b)
,
Var amax- amplitud av svängningar; w = 2 sidf- vinkelfrekvens; f- Svängningsfrekvens.
Harmoniska vibrationer med amplitud amax och frekvens f kallas tona.
Komplexa oscillationer kännetecknas av ett effektivt värde över tidsperioden T
.
För en sinusformad process är relationen giltig
För kurvor med andra former är förhållandet mellan det effektiva värdet och det maximala värdet från 0 till 1.
Beroende på metoden för excitering av vibrationer finns det:
plan ljudvåg , skapad av en platt oscillerande yta;
cylindrisk ljudvåg, skapad av cylinderns radiellt oscillerande sidoyta;
sfärisk ljudvåg , skapad av en punktkälla av vibrationer, såsom en pulserande boll.
De viktigaste parametrarna som kännetecknar en ljudvåg är:
ljudtryck sid sv, Pa;
ljudintensitetjag, W/m2.
ljudvåglängd l, m;
våghastighet Med, Fröken;
oscillationsfrekvens f Hz.
Ur en fysisk synvinkel består utbredningen av vibrationer av överföring av momentum från en molekyl till en annan. Tack vare elastiska intermolekylära bindningar upprepar rörelsen av var och en av dem rörelsen från den föregående. Överföringen av impuls kräver en viss tid, som ett resultat av vilket rörelsen av molekyler vid observationspunkter sker med en fördröjning i förhållande till rörelsen av molekyler i zonen för excitation av vibrationer. Således utbreder sig vibrationer med en viss hastighet. Ljudvågshastighet Med- Det här fysikalisk egenskap miljö.
Våglängd l är lika med längden på den väg som genomkorsas av ljudvågen under en period T:
Var med - ljudhastighet , T = 1/f.
Ljudvibrationer i luften leder till dess kompression och sällsynthet. I områden med kompression ökar lufttrycket, och i områden med sällsynthet minskar det. Skillnaden mellan trycket som finns i ett stört medium sid Ons för tillfället, och atmosfärstryck sid atm, ringde ljudtryck(Fig. 3.3). Inom akustik är denna parameter den viktigaste genom vilken alla andra bestäms.
sid sv = sid ons - sid atm. (3.1)
Fig.3.3. Ljudtryck
Mediet i vilket ljud fortplantar sig har specifik akustiskt motstånd z A, som mäts i Pa*s/m (eller i kg/(m 2 *s) och är förhållandet mellan ljudtrycket sid ljud till vibrationshastigheten för partiklar i mediet u
zA= sid ljud /u =r*Med, (3.2)
Var med - ljudhastighet , m; r - mediets densitet, kg/m3.
För olika miljöer värdenzA är olika.
En ljudvåg är en energibärare i dess rörelseriktning. Mängden energi som överförs av en ljudvåg på en sekund genom ett avsnitt med en area på 1 m 2 vinkelrätt mot rörelseriktningen kallas ljudintensitet. Ljudintensiteten bestäms av förhållandet mellan ljudtrycket och det akustiska motståndet för mediet W/m2:
För en sfärisk våg från en ljudkälla med kraft W, W ljudintensitet på ytan av en sfär med radie r lika med
jag= W / (4sidr 2),
det vill säga intensitet sfärisk våg minskar med ökande avstånd från ljudkällan. När plan våg ljudintensiteten beror inte på avståndet.
I. Akustiskt fält och dess egenskaper
Ytan på en kropp som vibrerar är en sändare (källa) av ljudenergi, som skapar ett akustiskt fält.
Akustiskt fält kallas området för ett elastiskt medium, vilket är ett sätt att överföra akustiska vågor. Det akustiska fältet kännetecknas av:
ljudtryck sid sv, Pa;
akustiskt motstånd z A, Pa*s/m.
Det akustiska fältets energiegenskaper är:
intensitet jag, W/m2;
ljudkraft W, W är mängden energi som passerar per tidsenhet genom ytan som omger ljudkällan.
En viktig roll i bildandet av det akustiska fältet spelas av karakteristiskriktning av ljudemission F, dvs. vinkelfördelning av ljudtrycket som genereras runt källan.
Alla listade kvantiteter hänger ihop och beror på egenskaperna hos det medium i vilket ljud utbreder sig.
Om det akustiska fältet inte är begränsat till ytan och sträcker sig nästan till oändligheten, kallas ett sådant fält fritt akustiskt fält.
I ett begränsat utrymme (till exempel inomhus) Ljudvågornas utbredning beror på ytornas geometri och akustiska egenskaper belägen i vägen för vågutbredning.
Processen att bilda ett ljudfält i ett rum är förknippat med fenomenen eko Och diffusion.
Om en ljudkälla börjar fungera i rummet, så har vi vid första ögonblicket bara direkt ljud. När vågen når den ljudreflekterande barriären ändras fältmönstret på grund av uppkomsten av reflekterade vågor. Om ett föremål vars dimensioner är små jämfört med ljudvågens längd placeras i ljudfältet, observeras praktiskt taget ingen förvrängning av ljudfältet. För effektiv reflektion är det nödvändigt att dimensionerna på den reflekterande barriären är större än eller lika med ljudvågens längd.
Ett ljudfält där ett stort antal reflekterade vågor uppträder i olika riktningar, vilket leder till att den specifika tätheten av ljudenergi är densamma i hela fältet, kallas diffust fält .
Efter att källan slutat avge ljud, minskar ljudfältets akustiska intensitet till nollnivå under en oändlig tid. I praktiken anses ett ljud vara helt dämpat när dess intensitet sjunker till 10 6 gånger den nivå som existerar när det stängs av. Varje ljudfält som ett element i ett vibrerande medium har sin egen ljuddämpningskaraktär - eko("efterljud").
MED. Akustiska nivåer
En person uppfattar ljud över ett brett spektrum ljudtryck sid ljud ( intensiteter jag).
Standard hörseltröskelär det effektiva värdet av ljudtrycket (intensiteten) som skapas av en harmonisk vibration med en frekvens f= 1000 Hz, knappt hörbart för en person med genomsnittlig hörselkänslighet.
Standardhörseltröskeln motsvarar ljudtrycket sid o =2*10 -5 Pa eller ljudintensitet jag o =10 -12 W/m2. Den övre gränsen för ljudtrycket som den mänskliga hörapparaten känner begränsas av smärtkänslan och anses vara lika med sid max = 20 Pa och jag max = 1 W/m2.
Storleken på hörselsensationen L när ljudtrycket överskrids sid Ljudet för standardhörseltröskeln bestäms enligt Weber-Fechners lag om psykofysik:
L= q lg( sid ljud / sid o),
Var q- någon konstant, beroende på experimentets förutsättningar.
Att ta hänsyn till den psykofysiska uppfattningen av ljud av en person för att karakterisera ljudtrycksvärden sid ljud och intensitet jag blev introducerad logaritmiska värden – nivåerL (med motsvarande index), uttryckt i dimensionslösa enheter – decibel, dB, (en 10-faldig ökning av ljudintensiteten motsvarar 1 Bel (B) – 1B = 10 dB):
L sid= 10 lg ( sid/sid 0) 2 = 20 lg ( sid/sid 0), (3.5, A)
L jag= 10 lg ( jag/jag 0). (3.5, b)
Det bör noteras att under normala atmosfäriska förhållanden L sid =L jag .
I analogi infördes också ljudeffektnivåer
L w = 10 lg ( W/W 0), (3.5, V)
Var W 0 =jag 0 *S 0 =10 -12 W – tröskelljudeffekt vid en frekvens på 1000 Hz, S 0 = 1 m2.
Dimensionslösa mängder L sid , L jag , L w mäts helt enkelt av instrument, så de är användbara för att bestämma absoluta värden sid, jag, W enligt de omvända beroenden till (3.5)
(3.6,
A)
(3.6,
b)
(3.6, V)
Nivån på summan av flera kvantiteter bestäms av deras nivåer L i , i = 1, 2, ..., n förhållande
(3.7)
Var n- antalet mervärden.
Om de tillagda nivåerna är desamma, då
L = L+ 10 lg n.
Ljudfältet förstås som det begränsade utrymmet där ett hydroakustiskt meddelande utbreder sig. Ljudfältet kan existera i vilket elastiskt medium som helst och representerar vibrationer av dess partiklar som är ett resultat av påverkan av yttre störande faktorer. En utmärkande egenskap hos denna process från alla andra ordnade rörelser av partiklar i mediet är att med små störningar är utbredningen av vågor inte förknippad med överföringen av själva ämnet. Med andra ord svänger varje partikel i förhållande till den position den intog före störningen.
Ett idealiskt elastiskt medium i vilket ett ljudfält utbreder sig kan representeras som en uppsättning absolut stela element som är förbundna med varandra genom elastiska bindningar (fig. 2.2). Det aktuella tillståndet för en oscillerande partikel i detta medium kännetecknas av dess förskjutning U i förhållande till jämviktspositionen, oscillationshastigheten v och oscillationsfrekvensen. Svängningshastigheten bestäms av den första tidsderivatan av partikelförskjutningen och är ett viktigt kännetecken för processen i fråga. Som regel är båda parametrarna harmoniska funktioner av tid.
Partikel 1 (fig. 1.1), förskjuten med en mängd U från dess jämviktsposition,
skärande av elastiska bindningar påverkar partiklarna som omger den, vilket gör att de också förskjuts. Som ett resultat börjar störningar från utsidan spridas in i loppet.
sedd miljö. Om lagen för förändring i förskjutningen av partikel 1 bestäms av likheten U U sint, där Um är amplituden för partikelns svängning och är svängningsfrekvensen, så är rörelselagen för den andra i partiklar kan presenteras som:
Ui Umi sin(t i), (2.1)
där Umi är amplituden för vibrationen för den i:e partikeln, i är fasförskjutningen av dessa vibrationer. När vi rör oss bort från mediets excitationskälla (partikel 1), kommer värdena på oscillationsamplituderna Umi att minska på grund av energiförlust, och fasskiftningarna i kommer att öka på grund av den begränsade hastigheten för excitationsutbredning. Således kan ljudfältet också förstås som en uppsättning av oscillerande partiklar av mediet.
Om vi i ett ljudfält väljer partiklar som har samma svängningsfas får vi en kurva eller yta, som kallas vågfronten. Vågfronten rör sig ständigt bort från störningskällan med en viss hastighet, vilket kallas vågfrontens utbredningshastighet, vågutbredningshastigheten eller helt enkelt ljudhastigheten i ett givet medium. Vektorn för den specificerade hastigheten är vinkelrät mot vågfrontens yta vid den aktuella punkten och bestämmer riktningen för ljudstrålen längs vilken vågen utbreder sig. Denna hastighet beror avsevärt på mediets egenskaper och dess nuvarande tillstånd. Vid ljudvågsutbredning i havet beror ljudets hastighet på vattnets temperatur, dess densitet, salthalt och en rad andra faktorer. Sålunda, med en ökning av temperaturen med 1 0C, ökar ljudhastigheten med cirka 3,6 m/s, och med en ökning av djupet med 10 m, ökar den med cirka 0,2 m/s. I genomsnitt, under havsförhållanden, kan ljudhastigheten variera inom intervallet 1440 – 1585 m/s. Om mediet är anisotropt, dvs. har olika egenskaper i olika riktningar från störningens centrum, så kommer även ljudvågens utbredningshastighet att vara olika, beroende på dessa egenskaper.
I allmänhet bestäms hastigheten för utbredning av en ljudvåg i en vätska eller gas av följande uttryck:
s K, (2.2) 0
där K är mediets volymetriska elasticitetsmodul, 0 är densiteten för det ostörda mediet, dess statiska densitet. Bulkelasticitetsmodulen är numeriskt lika med spänningen som uppstår i mediet vid dess enhets relativa deformation.
En elastisk våg kallas longitudinell om vibrationerna hos de aktuella partiklarna sker i vågens utbredningsriktning. En våg kallas tvärgående om partiklarna svänger i plan som är vinkelräta mot vågens utbredningsriktning.
Tvärvågor kan bara uppstå i ett medium som har en elastisk form, d.v.s. kan motstå skjuvdeformation. Endast fasta kroppar har denna egenskap. Longitudinella vågor är förknippade med volymetrisk deformation av mediet, så de kan fortplanta sig både i fasta ämnen och i flytande och gasformiga medier. Ett undantag från denna regel är ytvågor som bildas på den fria ytan av en vätska eller på gränsytan mellan oblandbara medier med olika fysiska egenskaper. I detta fall utför flytande partiklar samtidigt longitudinella och tvärgående svängningar, som beskriver elliptiska eller mer komplexa banor. Ytvågornas speciella egenskaper förklaras av att tyngdkrafterna och ytspänningen spelar en avgörande roll för deras bildning och utbredning.
Under svängningsprocessen i ett stört medium uppstår zoner med ökat och minskat tryck och densitet i förhållande till jämviktstillståndet. Trycket р р1 р0, där р1 är dess momentana värde i ljudfältet, och р0 är mediets statiska tryck i frånvaro av excitation, kallas ljud och är numeriskt lika med kraften med vilken vågen verkar på en enhetsyta installerad vinkelrätt mot dess spridningsriktning. Ljudtryck är en av de viktigaste egenskaperna för miljöns tillstånd.
För att bedöma förändringar i mediets densitet används ett relativt värde, kallat kompaktering , som bestäms av följande likhet:
1 0 , (2.3) 0
där 1 är det momentana värdet av mediets densitet vid den punkt som är intressant för oss, och 0 är dess statiska densitet.
Alla ovanstående parametrar kan bestämmas om en viss skalär funktion, kallad oscillerande hastighetspotential, är känd. I enlighet med Helmholtz-satsen karakteriserar denna potential fullt ut akustiska vågor i flytande och gasformiga medier och är relaterad till oscillationshastigheten v med följande likhet:
v grad . (2.4)
En longitudinell ljudvåg kallas plan om dess potential och andra relaterade storheter som kännetecknar ljudfältet endast beror på tid och en av de kartesiska koordinaterna, till exempel x (fig. 2.3).
Om de nämnda storheterna endast beror på tid och avstånd r från någon punkt i rymden, kallad vågens centrum, kallas den längsgående ljudvågen sfärisk. I det första fallet kommer vågfronten att vara
z Plan våg z Sfärisk våg
Ris. 2.3 Vågfront
en linje eller ett plan, i den andra - en båge eller sektion av en sfärisk yta.
I elastiska medier, när man överväger processer i ljudfält, kan principen om överlagring användas. Så, om ett system är distribuerat i miljön
vågor som bestäms av potentialerna 1…n, då blir potentialen lika med summan av de angivna potentialerna:
n i. 1
resulterande våg
Men när man överväger processer i kraftfulla ljudfält bör man ta hänsyn till möjligheten av icke-linjära effekter som kan göra användningen av superpositionsprincipen oacceptabel. Dessutom på höga nivåer
En påverkan som stör miljön kan radikalt störa miljöns elastiska egenskaper. Således, i ett flytande medium, kan luckor fyllda med luft uppstå, dess kemiska struktur kan förändras, etc. I den tidigare presenterade modellen (fig. 2.2) kommer detta att motsvara att bryta de elastiska bindningarna mellan mediets partiklar. I det här fallet kommer energin som spenderas på att skapa vibrationer praktiskt taget inte att överföras till andra lager, vilket kommer att göra det omöjligt att lösa ett eller annat praktiskt problem. Det beskrivna fenomenet kallas kavitation.1
Ur energisynpunkt kan ett ljudfält karakteriseras av ett flöde av ljudenergi eller ljudeffekt P, som bestäms av mängden ljudenergi W som passerar genom en yta vinkelrät mot vågens utbredningsriktning per tidsenhet:
Р W . (2,6)
Ljudeffekten, relaterad till arean s av ytan i fråga, bestämmer ljudvågens intensitet:
Jag är st. (2,7)
I det sista uttrycket antas det att energin är jämnt fördelad över området s.
- I kontakt med 0
- Google+ 0
- OK 0
- Facebook 0
