Odraz zvuku od překážek a na rozhraní dvou médií. Akustika místnosti

ODRAZ ZVUKU- jev, ke kterému dochází při dopadu zvukové vlny na rozhraní mezi dvěma elastickými prostředími a spočívá ve vzniku vln šířících se z rozhraní do stejného prostředí, ze kterého přišla dopadající vlna. Zpravidla O. z. doprovázené tvorbou lomených vln ve druhém prostředí. Zvláštní případ O. z. - odraz od volné hladiny. Obvykle se uvažuje o odrazu na plochých rozhraních, ale lze hovořit o O.z. od překážek libovolného tvaru, pokud je velikost překážky mnohem větší než délka zvukové vlny. Jinak existuje rozptyl zvuku nebo difrakce zvuku.
Dopadající vlna způsobí pohyb hranice mezi médii, v důsledku čehož vznikají odražené a lomené vlny. Jejich struktura a intenzita by měly být takové, aby na obou stranách rozhraní byly rychlosti částic a elastická napětí působící na rozhraní stejné. Okrajové podmínky na volné ploše spočívají v rovnosti nulových elastických napětí působících na tuto plochu.
Odražené vlny mohou mít stejný typ polarizace jako dopadající vlna, nebo mohou mít jiné polarizace. V druhém případě se mluví o transformaci nebo konverzi modu při odrazu nebo lomu. Ke konverzi nedochází pouze tehdy, když se zvuková vlna šířící se v kapalině odráží, protože v kapalném prostředí existují pouze podélné vlny. Při průchodu zvukové vlny rozhraním mezi pevnými látkami se zpravidla tvoří podélné i příčné odražené a lomené vlny. Komplexní povaha O. z. probíhá na krystalické hranici. média, kde v obecném případě jsou odražené a lomené vlny tří dekomp. polarizace.
Odraz rovinných vln. Odraz rovinných vln hraje zvláštní roli, protože rovinné vlny odražené a lomené zůstávají rovinné a odraz vln libovolného tvaru lze považovat za odraz množiny rovinných vln. Počet odražených a lomených vln, které vznikají, je určen povahou elastických vlastností média a počtem akustických. větví, které v nich existují. Průměty vlnových vektorů dopadajících, odražených a lomených vln do roviny rozhraní jsou vzhledem k okrajovým podmínkám navzájem shodné (obr. 1).

Rýže. 1. Schéma odrazu a lomu rovinné zvukové vlny na rovinném rozhraní.

Odtud následují zákony odrazu a lomu, podle Krymu: 1) vlnové vektory dopadající k i odražený k r a lomené k t vlny a normální NN" k rozhraní leží ve stejné rovině (rovina dopadu); 2) poměr sinů úhlů dopadu odrazu a lomu k fázovým rychlostem c i a odpovídající vlny jsou si navzájem rovny:
(dolní indexy a označují polarizace odražených a lomených vln). V izotropních prostředích, kde se směry vlnových vektorů shodují se směry zvukových paprsků, mají zákony odrazu a lomu obvyklou formu Snellova zákona. V anizotropních prostředích určují zákony odrazu pouze směry vlnových normál; jak se budou lomené nebo odražené paprsky šířit, závisí na směru radiálních rychlostí odpovídajících těmto normálám.
Při dostatečně malých úhlech dopadu jsou všechny odražené a lomené vlny rovinné vlny, které odnášejí energii dopadajícího záření z rozhraní. Pokud však rychlost pro do-l. lomená vlna větší rychlost c i dopadající vlna, pak pro úhly dopadu velké tkzv. kritický úhel \u003d arcsin, normální složka vlnového vektoru odpovídající lomené vlny se stává imaginární a samotná přenášená vlna se mění v nehomogenní vlnu probíhající podél rozhraní a exponenciálně klesající hluboko do média 2 . Dopad vlny na rozhraní pod úhlem větším než je kritický však nemusí vést k úplnému odrazu, protože energie dopadajícího záření může pronikat do druhého prostředí ve formě vln jiné polarizace.
Kritické úhel existuje i pro odražené vlny, je-li při O.z. dochází ke konverzi režimu a fázová rychlost vlny vyplývající z konverze je větší než rychlost c i padající vlna. Pro úhly dopadu menší kritické. úhel, část dopadající energie je odváděna od hranice ve formě odražené vlny s polarizací; při , se taková vlna ukáže jako nehomogenní, tlumí hluboko do prostředí 1 a nepodílí se na přenosu energie z rozhraní. Například kritické úhel = arcsin( C t/c L) nastává při odrazu příčné akustiky. vlny T od hranice izotropního pevného tělesa a jeho přeměna na podélnou vlnu L (s t a CL jsou rychlosti příčných a podélných zvukových vln, v tomto pořadí).
Amplitudy odražených a lomených vln jsou v souladu s okrajovými podmínkami lineárně vyjádřeny pomocí amplitudy A i dopadající vlny, stejně jako jsou tyto veličiny v optice vyjádřeny pomocí amplitudy dopadajícího e-magn. vlny s Fresnelovy vzorce. Odraz rovinné vlny je kvantitativně charakterizován amplitudovými koeficienty. odrazy, které jsou poměrem amplitud odražených vln k amplitudě dopadu: = Amplitudový koeficient. odrazy jsou obecně složité: jejich moduly určují poměry abs. amplitudy a fáze definují fázové posuny odražených vln. Amplitudové koeficienty se určují podobným způsobem. míjení Přerozdělení energie dopadajícího záření mezi odražené a lomené vlny je charakterizováno koeficientem. odraz a prostup v intenzitě, což jsou poměry složek časově zprůměrovaných hustot toku energie normálních k rozhraní v odražených (lomených) a v dopadajících vlnách:

kde jsou intenzity zvuku v odpovídajících vlnách a jsou hustoty médií v kontaktu. Rovnováha energie dodávané na rozhraní a odváděná z něj se snižuje na rovnováhu normálních složek energetických toků:

Coef. odrazy závisí jak na akustice vlastnosti média v kontaktu a na úhlu dopadu. Povaha úhlu závislost je určena přítomností kritických. úhly, stejně jako úhly nulového odrazu, pod které se nevytvoří odražená vlna s polarizací.

Ach. na rozhraní dvou kapalin. Naíb. jednoduchý obrázek O. H. se vyskytuje na rozhraní mezi dvěma kapalinami. V tomto případě nedochází k přeměně vlny a dochází k odrazu podle zrcadlového zákona a koeficientu odraz je

kde a C 1,2 - hustota a rychlost zvuku v sousedních médiích 1 a 2 . Pokud je rychlost zvuku pro dopadající vlnu větší než rychlost zvuku pro lomenou ( S 1 >C 2), pak kritické chybí roh. Coef. odraz je skutečný a plynule se liší od hodnoty

při normálním dopadu vlny na rozhraní až do hodnoty R=- 1 pro výskyt pastvy Pokud akus. impedance r 2 s 2 střední 2 střední impedance 1 , pak pod úhlem dopadu

součinitel odraz zmizí a veškeré dopadající záření zcela přejde do prostředí 2 .
Kdy od 1<с 2 , возникает критический угол=arcsin (C 1 /C 2). V< коэф. отражения - действительная величина; фазовый сдвиг между падающей и отражённой волнами отсутствует. Величина коэф. отражения меняется от значения R0 s normálním pádem do R= 1 pod úhlem dopadu rovným kritickému. V tomto případě může také dojít k nulovému odrazu, pokud jde o akustiku impedance médií platí inverzní nerovnost úhel nulového odrazu je stále určen výrazem (6). Pro úhly dopadu větší než kritické existuje kompletní vnitřní. odraz: a dopadající záření hluboko do média 2 neproniká. V prostředí 2 vzniká však nehomogenní vlna; složitost koeficientů je spojena s jeho výskytem. odrazy a odpovídající fázový posun mezi odraženým a dopadajícím vlněním. Tento posun je vysvětlen skutečností, že pole odražené vlny vzniká jako výsledek interference dvou polí: zrcadlově odražené vlny a vlny znovu vyzařované do prostředí. 1 nehomogenní vlna, která vznikla v médiu 2 . Při odrazu nerovinného (například kulového) vlnění je takto přezářené vlnění v experimentu skutečně pozorováno v podobě tzv. boční vlna (viz Vlny, část Odraz a lom vlnění).

Ach. od hranice tuhého tělesa. Povaha odrazu se komplikuje, pokud je reflektorem pevné těleso. Když rychlost zvuku S v kapalině jsou podélné rychlosti menší L a příčné S m zvuku v pevném tělese při odrazu na rozhraní kapaliny s pevným tělesem vznikají dvě kritické. úhel: podélný= arcsin ( s/s L) a příčný = arcsin ( s/s t ) . Nicméně odjakživa s L > s t. Při úhlech dopadu koeficient. odraz je platný (obr. 2). Dopadající záření proniká pevným tělesem ve formě podélných i příčných lomených vln. Při normálním výskytu zvuku v pevném tělese vzniká pouze podélná vlna a hodnota R 0 je určena poměrem podélné akustiky. impedance kapaliny a tuhého tělesa podobné f-le (5) ( - hustota kapaliny a tuhého tělesa).

Rýže. 2. Závislost modulu součinitele odrazu zvuku | R | (plná čára) a její fáze (čerchovaná čára) na rozhraní kapalina-pevná látka z úhlu dopadu.

Když > koeficient. odraz se stává složitým, protože se v pevné látce poblíž hranice tvoří nehomogenní vlna. Při úhlech dopadu mezi kritickými úhly a část dopadajícího záření proniká hluboko do pevné látky ve formě lomené příčné vlny. Proto pro<<величина лишь при поперечная волна не образуется и |R|= 1. Účast nehomogenní podélné vlny na vzniku odraženého záření způsobí stejně jako na rozhraní dvou kapalin fázový posun odražené vlny. Když > je kompletní ext. odraz: 1. V pevném tělese v blízkosti hranice se tvoří pouze nehomogenní vlny exponenciálně padající do hloubky tělesa. Fázový posun odražené vlny pro úhly je spojen především s buzením na rozhraní netěsnosti Rayleighovy vlny. Taková vlna vzniká na rozhraní pevného tělesa s kapalinou pod úhly dopadu blízkými Rayleighovu úhlu = arcsin ( s/s R), kde C R je rychlost Rayleighovy vlny na pevném povrchu. Prosakující vlna, která se šíří po rozhraní, je zcela znovu emitována do kapaliny.
Pokud S > S t, pak celková vnitřní nedochází k odrazu na rozhraní kapaliny s pevnou látkou: dopadající záření proniká pevnou látkou pod jakýmkoli úhlem dopadu, alespoň ve formě příčné vlny. Úplný odraz nastane, když zvuková vlna klesne pod kritickou hodnotu. úhel nebo dopad pastvy. Pro c>c L koeficient. odrazy jsou skutečné, protože na rozhraní nevznikají nehomogenní vlny.
Oz se šíří v pevném tělese. Když se zvuk šíří v izotropní pevné látce, max. jednoduchým znakem je odraz smykových vln, jehož směr kmitání je rovnoběžný s rovinou rozhraní. Při odrazu nebo lomu takových vln nedochází k žádné konverzi režimu. Při dopadu na volnou hranici nebo rozhraní s kapalinou se taková vlna zcela odrazí ( R= 1) podle zákona zrcadlového odrazu. Na rozhraní mezi dvěma izotropními pevnými látkami spolu se zrcadlově odraženou vlnou v médiu 2 vzniká lomená vlna s polarizací, která je rovněž rovnoběžná s rozhraním.
Při dopadu příčné vlny polarizované v rovině dopadu na volný povrch tělesa vzniká na rozhraní jak odražená příčná vlna stejné polarizace, tak podélná vlna. Při úhlech dopadu menších než kritický úhel = = arcsin ( cT/cL), koeficient odrazy R T a R L- čistě reálné: odražené vlny opouštějí hranici přesně ve fázi (nebo v protifázi) s dopadající vlnou. V > pouze zrcadlově odražená příčná vlna opouští hranici; v blízkosti volné hladiny vzniká nehomogenní podélná vlna.
Coef. odraz se stává složitým a mezi odraženým a dopadajícím vlněním dochází k fázovému posunu, jehož velikost závisí na úhlu dopadu. Při odrazu podélné vlny od volného povrchu pevného tělesa pod jakýmkoli úhlem dopadu vzniká jak odražená podélná vlna, tak příčná vlna polarizovaná v rovině dopadu.
Pokud je hranice pevného tělesa v kontaktu s kapalinou, pak se při odrazu vln (podélných nebo příčných, polarizovaných v rovině dopadu) v kapalině objeví další lomená podélná vlna. Na rozhraní dvou izotropních pevných prostředí je tento systém odražených a lomených vln doplněn o lomenou příčnou vlnu v prostředí 2 . Jeho polarizace leží také v rovině dopadu.

Ó. h. na rozhraní mezi anizotropními prostředími. Ach. na krystalickém rozhraní. prostředí je složité. Rychlosti odražených i lomených vln jsou v tomto případě samy funkcemi úhlů odrazu a lomu (viz obr. Krystalová akustika;), proto i definice úhlů z daného úhlu dopadu naráží na vážné problémy. potíže. Pokud jsou známy řezy povrchů vlnových vektorů rovinou dopadu, použije se grafika. metoda pro určování úhlů a konců vlnových vektorů k r a k t ležet na kolmici NN" nakreslený na rozhraní přes konec vlnového vektoru k i dopadající vlna, v bodech, kde se tato kolmice protíná dek. povrchy dutin vlnových vektorů (obr. 3). Počet odražených (nebo lomených) vln, které se skutečně šíří z rozhraní do hloubky odpovídajícího prostředí, je určen tím, s kolika dutinami se kolmice protíná. NN". Pokud je křižovatka s to-l. chybí, to znamená, že vlna odpovídající polarizace se ukáže jako nehomogenní a nepřenáší energii z hranice. Kolmý NN" může projít stejnou dutinou v několika. body (body A 1 a a 2 na Obr. 3). Z možných poloh vlnového vektoru k r (nebo k t) skutečně pozorované vlny odpovídají pouze těm, pro které je vektor radiální rychlosti, shodující se ve směru s vnějším. kolmý k povrchu vlnových vektorů, směřuje od hranice do hloubky odpovídajícího prostředí.

Rýže. 3. Grafická metoda pro stanovení úhlů odrazu a lomu na rozhraní mezi krystalickými prostředími 1 a 2. L, FT a SVATÝ- povrchy vlnových vektorů pro kvazi-podélné, rychlé a pomalé kvazipříčné vlny.

Odražené (lomené) vlny patří zpravidla do dek. akustické větve. kolísání. Ovšem v krystalech s prostředky. anizotropie, kdy má povrch vlnových vektorů konkávní úseky (obr. 4), je možný odraz za vzniku dvou odražených nebo lomených vln patřících do stejné oscilační větve.
Experimentálně jsou pozorovány konečné svazky zvukových vln, jejichž směry šíření jsou určeny radiálními rychlostmi. Směry paprsků v krystalech se výrazně liší od směru odpovídajících vlnových vektorů. Radiální rychlosti dopadajících, odražených a lomených vln leží ve stejné rovině jen výjimečně, např. kdy rovina dopadu je rovinou symetrie pro oba krystaly. prům. Obecně platí, že odražené a lomené paprsky zaujímají různé polohy jak vůči sobě navzájem, tak vůči dopadajícímu paprsku a normálu. NN" k hranici. Zejména může odražený paprsek ležet v rovině dopadu na stejné straně normály N, což je dopadající paprsek. Limitujícím případem této možnosti je superpozice odraženého paprsku na dopadající paprsek při jeho šikmém dopadu.

Rýže. 4. Odraz akustické vlny dopadající na volný povrch krystalu za vzniku dvou odražených vln stejné polarizace: A- určení vlnových vektorů odražených vln (s G jsou vektory radiální rychlosti); b- schéma odrazu zvukových paprsků konečného řezu.

Vliv útlumu na povahu O. z. . Coef. odrazy a prostupy nezávisí na frekvenci zvuku, pokud je útlum zvuku v obou hraničních prostředích zanedbatelný. Znatelný útlum vede nejen k frekvenční závislosti koeficientu. odrazy R, ale také zkresluje jeho závislost na úhlu dopadu, zejména v blízkosti kritického. rohy (obr. 5, A). Při odrazu od rozhraní mezi kapalinou a pevnou látkou tlumící efekty výrazně mění úhlovou závislost R při úhlech dopadu blízkých Rayleighovu úhlu (obr. 5 B). Na hranici prostředí se zanedbatelným tlumením při takových úhlech dopadu dochází k úplnému vnitřnímu odrazu a | R| = 1 (křivka 1 na Obr. 5, b). Přítomnost útlumu vede k tomu, že | | R| bude menší než 1 a minimální | R| (křivky 2 - 4) . S rostoucí frekvencí a odpovídajícím zvýšením koeficientu. tlumení, hloubka minima se zvyšuje, až nakonec při určité frekvenci F 0, volali nulová frekvence odrazu, min. hodnota | R| nezmizí (křivka 3 , rýže. 5, b). Další zvýšení frekvence vede k rozšíření minima (křivky 4 ) a vlivu účinků útlumu na O. z. pro téměř jakýkoli úhel dopadu (křivka 5) . Pokles amplitudy odražené vlny oproti amplitudě dopadající vlny neznamená, že dopadající záření proniká pevnou látkou. Je spojena s absorpcí netěsné Rayleighovy vlny, která je buzena dopadajícím zářením a podílí se na vzniku odražené vlny. Když frekvence zvuku F rovna frekvenci F 0, veškerá energie dopadající vlny se rozptýlí na rozhraní.

Rýže. 5. Úhlová závislost | R| na hranici voda-ocel, s přihlédnutím k útlumu: A- obecná povaha úhlové závislosti | R|; plná čára - bez zohlednění ztrát, přerušovaná čára - totéž s útlumem; b- úhlová závislost | R\ blízko Rayleighova úhlu při různých hodnotách absorpce příčných vln v oceli na vlnové délce. Křivky 1 - 5 odpovídá zvýšení tohoto parametru z hodnoty 3 x 10 -4 (křivka 1 ) na hodnotu = 1 (křivka 5) v důsledku odpovídajícího zvýšení frekvence dopadajícího ultrazvukového záření.

Ach. z vrstev a desek. Ach. z vrstvy nebo desky je rezonanční. Odražené a procházející vlny se tvoří jako výsledek vícenásobných odrazů vln na hranicích vrstev. V případě kapalné vrstvy proniká dopadající vlna vrstvou pod úhlem lomu určeným ze Snellova zákona. V důsledku zpětných odrazů vznikají v samotné vrstvě podélné vlny, které se šíří v dopředném a zpětném směru pod úhlem k normále nakreslené k hranicím vrstvy (obr. 6, A). Úhel je úhel lomu odpovídající úhlu dopadu na hranici vrstvy. Pokud je rychlost zvuku ve vrstvě S 2 vyšší rychlost zvuku S 1 v okolní tekutině, pak systém zpětně odražených vln vzniká teprve tehdy, když úhel celkové int. odrazy \u003d arcsin (c 1 / c 2). U dostatečně tenkých vrstev se však přenášená vlna vytváří i při úhlech dopadu větších než je kritický. V tomto případě koeficient odraz od vrstvy se ukáže jako abs. hodnota je menší než 1. To je způsobeno tím, že ve vrstvě poblíž hranice, na kterou vlna dopadá zvenčí, vzniká nehomogenní vlna, která exponenciálně klesá do hloubky vrstvy. Pokud je tloušťka vrstvy d je menší nebo srovnatelná s hloubkou pronikání nehomogenní vlny, pak tato naruší opačnou hranici vrstvy, v důsledku čehož je přenášená vlna z ní vyzařována do okolní kapaliny. Tento jev pronikání vln je analogický s pronikáním částice přes potenciální bariéru v kvantové mechanice.
Coef. odlesky vrstev

kde je normální složka vlnového vektoru ve vrstvě, osa z- kolmo k hranicím vrstev, R 1 a R 2 - kurz. Ach. respektive na horní a dolní hranici. V je periodikum funkce frekvence zvuku F a tloušťku vrstvy d. Když dojde k pronikání vlny vrstvou, | R | s rostoucím F nebo d inklinuje monotónně k 1.

Rýže. 6. Odraz zvukové vlny od vrstvy kapaliny: A- schéma odrazu; 1 - okolní kapalina; 2 - vrstva; b - závislost modulu koeficientu odrazu | R| z úhlu dopadu.

V závislosti na hodnotě úhlu dopadu | R | má systém maxim a minim (obr. 6, b). Pokud je stejná kapalina na obou stranách vrstvy, pak v minimálních bodech R= 0. K nulovému odrazu dochází, když se fázový postup přes tloušťku vrstvy rovná celému počtu půlcyklů

a vlny vystupující do horního prostředí po dvou po sobě jdoucích odrazech budou v protifázi a vzájemně se zruší. Naopak všechny zpětně odražené vlny vstupují do spodního prostředí se stejnou fází a amplituda přenášené vlny se ukazuje jako maximální. Při normálním dopadu vln na vrstvu dochází k úplnému přenosu, když se do tloušťky vrstvy vejde celý počet půlvln: d= kde P= 1,2,3,..., - délka zvukové vlny v materiálu vrstvy; proto jsou volány vrstvy, pro které je splněna podmínka (8). poloviční vlna Vztah (8) se shoduje s podmínkou existence normální vlny ve volné vrstvě kapaliny. Z tohoto důvodu dochází k úplnému přenosu skrz vrstvy, když dopadající záření vybudí jednu nebo druhou normální vlnu ve vrstvě. Normální vlna je vlivem kontaktu vrstvy s okolní kapalinou netěsná: při svém šíření zcela přezáří energii dopadajícího záření do spodního prostředí.
Když jsou kapaliny na opačných stranách vrstvy odlišné, přítomnost půlvlnné vrstvy nemá žádný vliv na dopadající vlnu: koeficient odraz od vrstvy se rovná koeficientu. odrazy od hranice těchto kapalin, když jsou přímo. Kontakt. Kromě půlvlnných vrstev v akustice, jako v optice, tkzv. čtvrtvlnné vrstvy, jejichž tloušťky splňují podmínku ( n= 1,2,...). Výběr vhodné akustiky impedance vrstvy, můžete získat nulový odraz od vlnové vrstvy s danou frekvencí F pod určitým úhlem dopadu na vrstvu. Takové vrstvy se používají jako antireflexní akustické vrstvy.
Pro odraz zvukové vlny od nekonečné pevné desky ponořené do kapaliny bude povaha odrazu popsaná výše pro vrstvu kapaliny obecně zachována. V případě zpětných odrazů v desce budou kromě podélných vybuzeny i smykové vlny. Úhly a, pod kterými se šíří podélné a příčné vlny v desce, souvisejí s úhlem dopadu podle Snellova zákona. Úhel a frekvenční závislost | R| bude představovat, stejně jako v případě odrazu od vrstvy kapaliny, systém střídajících se maxim a minim. K úplnému přenosu přes desku dochází, když dopadající záření v ní vybudí jednu z normálních vln, které jsou jehněčí vlny.Rezonanční charakter O. z. z vrstvy nebo desky se smaže, když se akustický rozdíl mezi nimi sníží. vlastnosti z vlastností prostředí. Akustické zvýšení. útlum ve vrstvě vede také k vyhlazení závislostí a | R(fd)|.

Odraz nerovinných vln. Ve skutečnosti existují pouze nerovinné vlny; jejich odraz lze redukovat na odraz soustavy rovinných vln. Jednobarevné vlnu s libovolnou vlnoplochou lze reprezentovat jako soubor rovinných vln se stejnou kruhovou frekvencí, ale s dif. směry vlnového vektoru k. Hlavní charakteristické pro dopadající záření je jeho prostorové spektrum – soubor amplitud A(k) rovinné vlny společně tvořící dopadající vlnu. Břišní svaly. hodnota k je určena frekvencí, takže její složky nejsou nezávislé. Při odrazu od letadla z= 0 normální složka kz je dáno tečnými složkami k x, k y: k z =Každá rovinná vlna, která je součástí dopadajícího záření, dopadá na rozhraní pod vlastním úhlem a odráží se nezávisle na ostatních vlnách. Pole F( r) odražené vlny vzniká jako superpozice všech odražených rovinných vln a vyjadřuje se prostorovým spektrem dopadajícího záření A(k x, k y) a koef. odrazy R(k x, k y):

Integrace se rozšiřuje do oblasti libovolně velkých hodnot kx a k y. Pokud prostorové spektrum dopadajícího záření obsahuje (jako při odrazu kulové vlny) složky s kx(nebo k y), velké, pak při vzniku odražené vlny, kromě vln s reál kzúčastní se i nestejnoměrné vlny, pro které k, je čistě imaginární veličina. Tento přístup, navržený v roce 1919 H. Weylem a dále rozvinutý v reprezentaci Fourierovy optiky, poskytuje postupné výsledky. popis odrazu libovolné vlny od rovinného rozhraní.
Při úvahách o O. z. možný je i paprskový přístup, který je založen na principech geometrická akustika. Dopadající záření je považováno za soubor paprsků interagujících s rozhraním. To bere v úvahu, že dopadající paprsky se nejen odrážejí a lámou obvyklým způsobem podle Snellových zákonů, ale také že některé paprsky dopadající na rozhraní pod určitými úhly vybudí tzv. boční vlny, stejně jako netěsné povrchové vlny (Rayleigh atd.) nebo netěsné vlnovodné módy (Lambovy vlny atd.). Tyto vlny se šíří po rozhraní a jsou opět vyzařovány do prostředí a podílejí se na tvorbě odražené vlny. Pro procvičování odraz je kulový. vlny se akusticky kolimovaly. paprsky konečného průřezu a fokusované zvukové paprsky.

Odraz kulových vln. Vzor odrazu je kulový. vlna vytvořená v kapalině I bodovým zdrojem Ó, závisí na poměru mezi rychlostmi zvuku S 1 a od 2 do kontaktování kapalin I a II (obr. 7). Jestliže c t > c 2 , pak kritická úhel chybí a k odrazu dochází podle geom zákonů. akustika. V prostředí I je odražený kulový. vlna: odražené paprsky se protínají v bodě Ó". tvoří virtuální obraz zdroje a vlnoplocha odražené vlny je částí koule se středem v bodě Ó".

Rýže. 7. Odraz kulové vlny na rozhraní dvou kapalin: Ó a Ó"- skutečné a fiktivní zdroje; 1 - přední část odražené kulové vlny; 2 - přední část lomené vlny; 3 - přední strana boční vlny.

Když c2 > tř a existuje kritický úhel v prostředí I kromě odraženého kulového. vln, vzniká další složka odraženého záření. Paprsky dopadající na rozhraní pod kritickým. úhlu vybudit druhou vlnu v médiu, která se šíří rychlostí S 2 podél rozhraní a je reemitován do média I, tvoří tzv. boční vlna. Jeho přední část je tvořena body, ke kterým ve stejném okamžiku dosáhly paprsky vycházející z bodu Ó podél OA a pak se znovu přesunul do středu I v dekomp. body rozhraní od bodu ALE do té míry Z, ve kterém se v tuto chvíli nachází čelo lomené vlny. V rovině výkresu je čelo boční vlny úsečkou SW, nakloněný k hranici pod úhlem a vybíhající do bodu V, kde splývá s přední částí zrcadlově odražené sférické. vlny. V prostoru je postranní vlnoplocha povrchem komolého kužele, který vzniká při rotaci segmentu SW kolem přímky OO". Při odrazu sférický. vlny v kapalině z povrchu pevného tělesa jsou podobné kuželosečkám. vlna vzniká v důsledku buzení prosakující Rayleighovy vlny na rozhraní. Odraz kulový. vlny - jeden z hlavních experimentů. metody geoakustiky, seismologie, hydroakustiky a akustiky oceánu.

Odraz akustických paprsků konečného průřezu. Odraz kolimovaných zvukových paprsků, čelo vlny k-rykh v hlavní. část paprsku je téměř plochá, vyskytuje se pro většinu úhlů dopadu, jako by se odrážela rovinná vlna. Při odrazu paprsku dopadajícího z kapaliny na rozhraní s pevným tělesem vzniká odražený paprsek, jehož tvar je zrcadlovým odrazem rozložení amplitud v dopadajícím paprsku. Avšak při úhlech dopadu blízkých podélné kritické. roh nebo Rayleighův úhel spolu se zrcadlovým odrazem nastává eff. excitace laterální nebo prosakující Roleyovy vlny. Pole odraženého paprsku je v tomto případě superpozicí zrcadlově odraženého paprsku a znovu vyzařovaných vln. V závislosti na šířce svazku a elastických a viskózních vlastnostech sousedních médií dochází buď k laterálnímu (paralelnímu) posunu svazku v rovině rozhraní (tzv. Schochův posun) (obr. 8) nebo k výraznému rozšíření svazku a vzhled tenkého

Rýže. 8. Boční posun paprsku při odrazu: 1 - dopadající paprsek; 2 - zrcadlově odražený paprsek; 3 - skutečný odražený paprsek.

struktur. Když paprsek dopadá pod Rayleighovým úhlem, povaha zkreslení je určena poměrem mezi šířkou paprsku l a vyzařuje. tlumení děravé Rayleighovy vlny

kde je délka zvukové vlny v kapalině, ALE je číselný faktor blízký jedné. Pokud je šířka paprsku mnohem větší než délka poloměrů. V případě úzkého paprsku se vlivem reemise netěsné povrchové vlny paprsek výrazně rozšíří a přestává být symetrický (obr. 9). Uvnitř oblasti obsazené zrcadlově odraženým paprskem v důsledku interference nastane minimum nulové amplitudy a paprsek se rozdělí na dvě části. Nezrcadlový odraz kollí. paprsky také vznikají na rozhraní dvou kapalin v úhlech dopadu blízkých kritickým, stejně jako když se paprsky odrážejí od vrstev nebo desek.

Rýže. 9. Odraz zvukového paprsku o konečném průřezu dopadajícího z kapaliny W na povrch pevného tělesa T pod Rayleighovým úhlem: 1 - dopadající paprsek; 2 - odražený paprsek; A- oblast nulové amplitudy; b- oblast konce paprsku.

V druhém případě je nezrcadlová povaha odrazu způsobena buzením prosakujících vlnovodů ve vrstvě nebo desce. Důležitou roli hrají boční a netěsné vlny při odrazu zaostřených ultrazvukových paprsků. Tyto vlny se používají zejména v akustická mikroskopie pro tvorbu akustiky. obrazy a provádění veličin, měření.

lit.: 1) Brekhovskikh L. M., Waves in layered media, 2. vydání, M., 1973; 2) Landau L.D., Lifshits E.M., Hydrodynamics, 4. vydání, M., 1988; 3) Brekhovskikh L. M., Godin O. A., Akustika vrstvených médií, Moskva, 1989; 4) Сagniard L., Reflexion et refraction des ondes seismiques progressives, P., 1939; 5) Ewing W. M., Jardetzky W. S., Press F., Elastic waves in layered media, N. Y. - , 1957, kap. 3; 6) Au1d B. A., Akustická pole a vlny v pevných látkách, v. 1-2, N. Y.-, 1973; 7) Vertoni H. L., Tamir T., Jednotná teorie jevů Rayleighova úhlu pro akustické svazky na rozhraní kapalina-pevná látka, "Appl. Phys.", 1973, v. 2, č. 4, str. 157; 8) Mott G., Koeficienty odrazu a lomu na rozhraní kapalina-pevná látka, "J. Acoust. Soc. Amer.", 1971, v. 50, č. 3 (pt. 2), s. 819; 9) Wesker F. L., Richardson R. L., Vliv vlastností materiálu na Rayleighovu kritickou úhlovou odrazivost, "J. Acoust. Soc. Amer.", 1972, v. 51. .V" 5 (pt 2), s. 1609; 10) Fiorito R., Ubera11 H., Rezonanční teorie akustického odrazu a prostupu vrstvou tekutiny, ".I. Acoust. soc. Amer.", 1979, v. 65, č. 1, s. 9; 11) Fiorft o R., Madigosky W., C bera 11 H., Rezonanční teorie akustických vln interagujících s elastickou deskou." J. Acoust. soc. Amer.", 1979, v. 66, č. 6, s. 1857; 12) Neubauer W. G., Pozorování akustického záření z rovinných a zakřivených povrchů, in: Fyzikální akustika. Principy a metody, vyd. W. P. Mason, R. N. Thurston , sv. 10, N. Y. - L., 1973, kap. 2.

Akustický tlak p závisí na rychlosti v kmitajících částic média. To ukazují výpočty

kde p je hustota média, c je rychlost zvukové vlny v médiu. Produkt pc se nazývá specifická akustická impedance, pro rovinnou vlnu se také nazývá vlnová impedance.

Vlnový odpor je nejdůležitější charakteristikou média, která určuje podmínky pro odraz a lom vlnění na jeho hranici.

Představte si, že zvuková vlna zasáhne rozhraní mezi dvěma médii. Část vlny se odráží a část se láme. Zákony odrazu a lomu zvukové vlny jsou podobné zákonům odrazu a lomu světla. Lomená vlna může být absorbována ve druhém prostředí, nebo jej může opustit.

Předpokládejme, že rovinná vlna dopadá normálně na rozhraní, její intenzita v prvním prostředí I 1 je intenzitou lomené (prošlé) vlny ve druhém prostředí 1 2 . Zavolejme

koeficient průniku zvukové vlny.

Rayleigh ukázal, že koeficient průniku zvuku je dán

protože с 1 ρ 1 /с 2 р 2 >>1. Uveďme vlnové odpory některých látek při 20 °C (tabulka 14).

Tabulka 14

Pro výpočet koeficientu průniku zvukové vlny ze vzduchu do betonu a do vody použijeme (6.8):

Tyto údaje jsou působivé: ukazuje se, že jen velmi malá část energie zvukové vlny přechází ze vzduchu do betonu a vody.

V jakékoli uzavřené místnosti se zvuk odražený od stěn, stropů, nábytku dopadá na jiné stěny, podlahy atd., znovu se odráží a pohlcuje a postupně doznívá. Proto i po ukončení zdroje zvuku jsou v místnosti stále zvukové vlny, které vytvářejí brum. To je patrné zejména ve velkých prostorných halách. Proces postupného zeslabování zvuku v uzavřených prostorách po vypnutí zdroje se nazývá dozvuk.

Dozvuk je na jednu stranu užitečný, protože vnímání zvuku je zesíleno energií odražené vlny, ale na druhou stranu příliš dlouhý dozvuk může výrazně zhoršit vnímání řeči a hudby, protože každá nová část text se překrývá s předchozími. V tomto ohledu bývá udávána nějaká optimální doba dozvuku, se kterou se počítá při stavbě hledišť, divadelních a koncertních sálů apod. Například doba dozvuku zaplněné Sloupové síně v Domě odborů v Moskvě je 1,70 s. , vyplněno ve Velkém divadle - 1, 55 s. Pro tyto místnosti (prázdné) je doba dozvuku 4,55 a 2,06 s.

Fyzika sluchu

Podívejme se na některé otázky fyziky sluchu na příkladu vnějšího, středního a vnitřního ucha. Zevní ucho se skládá z boltce 1 a zevního zvukovodu 2 (obr. 6.8) Bolt u člověka nehraje při sluchu významnou roli. Pomáhá určit lokalizaci zdroje zvuku, když je umístěn v předozadním směru. Pojďme si to vysvětlit. Zvuk ze zdroje vstupuje do boltce. V závislosti na poloze zdroje ve vertikální rovině

(obr. 6.9) se zvukové vlny budou na ušním boltci různě ohýbat kvůli jeho specifickému tvaru. To také povede ke změně spektrálního složení zvukové vlny vstupující do zvukovodu (podrobněji o problematice difrakce viz kapitola 19). Na základě zkušeností se člověk naučil spojovat změnu spektra zvukové vlny se směrem ke zdroji zvuku (směry A, B a B na obr. 6.9).

Díky dvěma přijímačům zvuku (uši) mohou člověk a zvířata nastavit směr ke zdroji zvuku a v horizontální rovině (binaurální efekt; obr. 6.10). To je způsobeno skutečností, že zvuk ze zdroje do různých uší prochází různou vzdáleností a existuje fázový rozdíl pro vlny, které vstupují do pravého a levého boltce. Vztah mezi rozdílem těchto vzdáleností (5) a fázovým rozdílem (∆φ) je odvozen v § 19.1 při vysvětlení interference světla [viz. (19,9)]. Pokud je zdroj zvuku přímo před obličejem osoby, pak δ = 0 a ∆φ = 0, pokud je zdroj zvuku umístěn na straně proti jednomu z ušních boltců, dopadá do druhého ušního boltce se zpožděním. Budeme přibližně předpokládat, že v tomto případě je 5 vzdálenost mezi boltci. Podle vzorce (19.9) lze pro v = 1 kHz a δ = 0,15 m vypočítat fázový rozdíl. Je to přibližně 180°.

Různé směry ke zdroji zvuku v horizontální rovině budou odpovídat fázovému rozdílu mezi 0° a 180° (u výše uvedených údajů). Předpokládá se, že osoba s normálním sluchem může určit směr ke zdroji zvuku s přesností 3 °, což odpovídá fázovému rozdílu 6 °. Proto lze předpokládat, že člověk je schopen rozlišit změnu fázového rozdílu zvukových vln vstupujících do jeho uší s přesností 6°.

ucho v důsledku difrakce (kap. 19).

Zvuková vlna prochází zvukovodem a částečně se odráží od bubínku 3 (viz obr. 6.8). V důsledku interference dopadajícího a odraženého vlnění může dojít k akustické rezonanci. V tomto případě je vlnová délka čtyřnásobkem délky vnějšího zvukovodu. Lidský zvukovod je přibližně 2,3 cm dlouhý; proto dochází k akustické rezonanci s frekvencí

Nejpodstatnější částí středního ucha je bubínek 3 a sluchové kůstky: kladívko 4, kovadlina 5 a třmen 6 s odpovídajícími svaly, šlachami a vazy. Kosti provádějí přenos mechanických vibrací ze vzdušného prostředí vnějšího ucha do kapalného prostředí vnitřního ucha. Kapalné médium vnitřního ucha má vlnový odpor přibližně stejný jako vlnový odpor vody. Jak bylo ukázáno (viz § 6.4), při přímém přechodu zvukové vlny ze vzduchu do vody je přenášeno pouze 0,123 % intenzity dopadu. To je příliš málo. Hlavním účelem středního ucha je proto usnadnit přenos větší intenzity zvuku do vnitřního ucha. Z technického hlediska odpovídá střední ucho impedancím vzduchu a tekutiny ve vnitřním uchu.

Systém kostí (viz obr. 6.8) je na jednom konci spojen kladívkem s bubínkem (plocha S 1 \u003d 64 mm 2), na druhém - třmínkem - s oválným okénkem 7 vnitřního ucha ( plocha S 2 \u003d 3 mm 2).

Na této úrovni střední ucho zvyšuje přenos vnějšího akustického tlaku do vnitřního ucha.

Další z funkcí středního ucha je zeslabení přenosu vibrací v případě zvuku velké intenzity. To se provádí reflexní relaxací svalů středního ucha.

Střední ucho je spojeno s atmosférou přes sluchovou (Eustachovu) trubici.

Vnější a střední ucho jsou součástí zvukově vodivé soustavy. Systém přijímající zvuk je vnitřní ucho.

Hlavní částí vnitřního ucha je kochlea, která přeměňuje mechanické vibrace na elektrický signál. K vnitřnímu uchu patří kromě hlemýždě i vestibulární aparát (viz § 4.3), který nemá se sluchovou funkcí nic společného.

Lidská kochlea je kostěný útvar dlouhý asi 35 mm a má tvar kuželovité spirály s 2 3/4 přesleny. Průměr u základny je cca 9 mm, výška cca 5 mm.

Na Obr. 6.8 je kochlea (omezená přerušovanou čarou) znázorněna schematicky roztažená pro snadné prohlížení. Podél hlemýždě vedou tři kanály. Jeden z nich, který vychází z oválného okna 7, se nazývá vestibulární scala 8. Druhý kanál pochází z kulatého okna 9, nazývá se scala tympani 10. Vestibulární a tympanická scala jsou spojeny v kupoli hlemýždě přes malý otvor - helicotrema 11. Oba tyto kanály tedy svým způsobem představují jediný systém naplněný perilymfou. Vibrace třmínku 6 se přenášejí na membránu oválného okénka 7, z ní do perilymfy a „vyčnívají“ membránu kulatého okénka 9. Prostor mezi vestibulární a bubínkovou scalou se nazývá kochleární kanál 12, tj. je naplněn endolymfou. Mezi kochleárním kanálem a scala tympani prochází podél hlemýždě hlavní (bazilární) membrána 13. Je na ní umístěn Cortiho orgán obsahující receptorové (vlasové) buňky a z hlemýždě vychází sluchový nerv (tyto detaily nejsou na Obr. 6.8).

Cortiho orgán (spirálový orgán) je převodníkem mechanických vibrací na elektrický signál.

Délka hlavní membrány je asi 32 mm, směrem od oválného okénka k horní části hlemýždě se rozšiřuje a ztenčuje (od šířky 0,1 až 0,5 mm). Hlavní membrána je pro fyziku velmi zajímavou strukturou, má frekvenčně selektivní vlastnosti. Helmholtz na to upozornil,

představoval hlavní membránu podobným způsobem jako řada laděných klavírních strun. Nositel Nobelovy ceny Bekesy prokázal omyl této teorie rezonátoru. V pracích Bekesyho se ukázalo, že hlavní membrána je nehomogenní linie, přenos mechanického buzení. Při vystavení akustickému podnětu se podél hlavní membrány šíří vlna. Tato vlna je různě tlumena v závislosti na frekvenci. Čím nižší je frekvence, tím dále od oválného okénka se vlna šíří podél hlavní membrány, než se začne rozpadat. Takže například vlna o frekvenci 300 Hz se bude šířit až přibližně 25 mm od oválného okénka, než začne útlum, a vlna o frekvenci 100 Hz dosáhne svého maxima poblíž 30 mm. Na základě těchto pozorování byly vyvinuty teorie, podle kterých je vnímání výšky určeno polohou maximální oscilace hlavní membrány. Ve vnitřním uchu lze tedy vysledovat určitý funkční řetězec: kmitání membrány oválného okénka - kmitání perilymfy - složité kmity hlavní membrány - složité kmity hlavní membrány - dráždění vláskových buněk (receptorů orgánu of Corti) - generování elektrického signálu.

Některé formy hluchoty jsou spojeny s poškozením receptorového aparátu kochley. V tomto případě kochlea negeneruje elektrické signály, když je vystavena mechanickým vibracím. Takovým neslyšícím lidem je možné pomoci implantací elektrod do hlemýždě a dávat jim elektrické signály odpovídající těm, které vznikají při vystavení mechanickému podnětu.

Taková protetika hlavní funkce, kochlea (kochleární protéza), se vyvíjí v řadě zemí. V Rusku byla kochleární protetika vyvinuta a implementována na Ruské lékařské univerzitě. Kochleární protéza je znázorněna na Obr. 6.12, zde 1 je hlavní tělo, 2 je ucho s mikrofonem, 3 je zástrčka elektrického konektoru pro připojení k implantovatelným elektrodám.

ODRAZ ZVUKU

ODRAZ ZVUKU

Jev, který nastává při dopadu zvuku na rozhraní dvou elastických prostředí a spočívá ve vzniku vln šířících se z rozhraní do stejného prostředí, rozptylu zvuku popř. difrakce zvuku.
Dopadající vlna způsobuje hranice mezi médii, v důsledku čehož vznikají odražené a lomené vlny. Jejich struktura a intenzita musí být taková, aby na obou stranách rozhraní byly rychlosti částic a elastická napětí působící na rozhraní stejné. Okrajové podmínky na volné ploše spočívají v rovnosti nulových elastických napětí působících na tuto plochu.
Odražené vlny mohou mít stejný typ polarizace jako dopadající vlna, nebo mohou mít i jiné polarizace. V druhém případě se mluví o transformaci nebo konverzi modu při odrazu nebo lomu. Odraz rovinných vln Odraz rovinných vln hraje zvláštní roli, protože rovinné vlny, odražené a lomené, zůstávají rovinné a libovolný tvar lze považovat za odraz kombinace rovinných vln. Počet vznikajících odražených a lomených vln je dán povahou elastických vlastností prostředí a počtem akustických. větví, které v nich existují. Vzhledem k okrajovým podmínkám jsou průměty vlnových vektorů dopadajících, odražených a lomených vln na rozhraní stejné (obr. 1).

Rýže. 1. Schéma odrazu a lomu rovinné zvukové vlny na rovinném rozhraní.

Odtud následují zákony odrazu a lomu, i , odražené k r a lomené k t vlny a normální NN" k rozhraní leží ve stejné rovině (rovina dopadu); 2) poměr sinů úhlů dopadu odrazu a lomu k fázovým rychlostem c i a odpovídající vlny jsou si navzájem rovny:
(dolní indexy a označují polarizace odražených a lomených vln). V izotropních prostředích, kde se směry vlnových vektorů shodují se směry zvukových paprsků, mají zákony odrazu a lomu obvyklou formu Snellova zákona. V anizotropních prostředích určují zákony odrazu pouze směry vlnových normál; jak se budou lomené nebo odražené paprsky šířit, závisí na směru radiálních rychlostí odpovídajících těmto normálám.
Při dostatečně malých úhlech dopadu jsou všechny odražené a lomené vlny rovinné vlny, které odnášejí energii dopadajícího záření z rozhraní. Pokud však pro k.-l. lomená vlna větší rychlost c i dopadající vlna, pak pro úhly dopadu velká m. n. kritický úhel \u003d arcsin, normální složka vlnového vektoru odpovídající lomené vlny se stává imaginární, 2. Dopad vlny na rozhraní pod úhlem větším než je kritický však nemusí vést k úplnému odrazu, protože dopadající záření může pronikat do 2. prostředí ve formě vln jiné polarizace.
Kritické úhel existuje i pro odražené vlny, je-li při O.z. dojde ke konverzi režimu a vlna vyplývající z konverze je větší než rychlost c i dopadající vlna. Pro úhly dopadu menší kritické. úhlu je část dopadající energie odváděna od hranice ve formě odražené vlny s polarizací , při , se taková vlna jeví jako nehomogenní, tlumí hluboko do prostředí 1 a nepodílí se na přenosu energie z rozhraní. Například kritické úhel = arcsin( C t /c L) nastává při odrazu příčné akustiky. vlny T od hranice izotropní pevné látky a přeměna na podélnou vlnu L (s t a C L- příčné a podélné rychlosti zvukové vlny).
Amplitudy odražených a lomených vln jsou v souladu s okrajovými podmínkami lineárně vyjádřeny pomocí amplitudy A i dopadající vlny, stejně jako se tyto veličiny v optice vyjadřují pomocí amplitudy dopadajícího el.-magnetu. pomocí vln Fresnelovy vzorce. Odraz rovinné vlny je kvantitativně charakterizován amplitudovými koeficienty. odrazy, což jsou poměry amplitud odražených vln k amplitudě dopadu: \u003d Koeficient amplitudy. odrazy v obecném případě jsou složité: jejich moduly určují vztahy abs. hodnota amplitud a fáze definují fázové posuny odražených vln. Amplitudové koeficienty se určují podobným způsobem. míjení Přerozdělení energie dopadajícího záření mezi odražené a lomené vlny je charakterizováno koeficientem. odraz a prostup v intenzitě, což jsou poměry složek časově průměrných hustot toku energie normálních k rozhraní v odražených (lomených) a v dopadajících vlnách:

kde jsou intenzity zvuku v odpovídajících vlnách a jsou hustoty médií v kontaktu. Rovnováha energie dodávané na rozhraní a odváděná z něj je redukována na rovnováhu normálních složek energetických toků:

Coef. odrazy závisí jak na akustice .postava ang. závislost je určena přítomností kritických. úhly, stejně jako úhly nulového odrazu, pod které se nevytvoří odražená vlna s polarizací.

Ach. na rozhraní dvou kapalin. Naíb. jednoduchý obrázek O. H. se vyskytuje na rozhraní mezi dvěma tekutinami. V tomto případě nedochází k přeměně vlny a dochází k odrazu podle zrcadlového zákona a koeficientu odraz je

kde a C 1,2 - hustota a rychlost zvuku v sousedních médiích . a 2. Pokud je rychlost zvuku pro dopadající vlnu větší než rychlost zvuku pro lomenou ( S 1 C 2), pak kritické chybí roh.

při normálním dopadu vlny na rozhraní až do hodnoty R=- 1 při výskytu pastvy Pokud akus. r 2 se 2 prostředími 2 střední impedance 1 , pak pod úhlem dopadu

součinitel odrazy mizí a incident zcela přechází do média 2.
Kdy od 1<с 2 ,возникает критический угол =arcsin(C 1 /C 2). V<коэф. отражения - действительная величина; фазовый между падающейи отражённой волнами отсутствует. Величина коэф. отражения меняется отзначения R0 s normálním pádem do R= 1 pod úhlem dopadu rovným kritickému. V tomto případě může také dojít k nulovému odrazu, pokud jde o akustiku impedance médií platí inverzní nerovnost úhel nulového odrazu je stále určen výrazem (6). Pro úhel dopadu, velký kritický, je kompletní ext. odraz: a dopadající záření hluboko do média 2 neproniká. V prostředí 2, pole odražené vlny je však tvořeno interferencí dvou polí: zrcadlově odražené vlny a vlny, 1 nehomogenní vlnou, která vznikla v prostředí. 2. Při odrazu nerovinných (např. kulových) vln je taková reemitovaná vlna skutečně pozorována v experimentu v podobě tzv. boční vlna (viz vlny, sekce Reflexe a ).

Ach. od hranice tuhého tělesa. Povaha odrazu se komplikuje, pokud je reflektorem pevné těleso. Když S v kapalině jsou menší podélné rychlosti L a příčné S m zvuku v pevném tělese, při odrazu na rozhraní kapaliny s pevným tělesem vznikají dvě kritické. úhel: podélný = arcsin ( s/s L) a příčný = arcsin ( s/s t ). Nicméně odjakživa s L > s t . Při úhlech dopadu koeficient odraz je platný (obr. 2). Dopadající záření proniká do pevného tělesa ve formě podélných i příčných lomených vln. Při normálním výskytu zvuku v pevném tělese pouze hodnota R 0 je určena poměrem podélné akustiky. impedance kapaliny a tuhého tělesa podobné f-le (5) (- hustota kapaliny a tuhého tělesa).

Rýže. 2. Závislost modulu součinitele odrazu zvuku | R | (plná čára) a její fáze (čerchovaná čára) na rozhraní kapaliny a pevné látky z úhlu dopadu .

U koeficientu a část dopadajícího záření proniká hluboko do pevného tělesa ve formě lomené příčné vlny. Proto pro<<величина лишь при поперечная волна не образуется и |R|= 1. Účast nehomogenní podélné vlny na vzniku odraženého záření způsobí stejně jako na rozhraní dvou kapalin fázový posun odražené vlny. Když je plná vnitřní. odraz: 1. V pevném tělese poblíž hranice se tvoří pouze nehomogenní vlny exponenciálně padající do hloubky tělesa. Fázový posun odražené vlny pro úhly je spojen především s buzením na rozhraní netěsnosti Rayleighovy vlny. Taková vlna vzniká na rozhraní pevného tělesa s kapalinou pod úhly dopadu blízkými Rayleighovu úhlu = arcsin ( s/s R), kde C R- Rychlost Rayleighovy vlny na povrchu pevné látky. Prosakující vlna, která se šíří po rozhraní, je zcela znovu emitována v .
Pokud SS t . horní plná vnitřní nedochází k odrazu na rozhraní kapaliny s pevnou látkou: dopadající záření proniká pod jakýmkoli úhlem dopadu, alespoň ve formě příčné vlny. Úplný odraz nastane, když zvuková vlna klesne pod kritickou hodnotu. úhel nebo dopad pastvy. Pro c>c L koeficient. skutečný odraz, O. z., šířící se v pevném tělese. Když se zvuk šíří v izotropní pevné látce, max. jednoduchým znakem je odraz smykových vln, jehož směr kmitání je rovnoběžný s rovinou rozhraní. Při odrazu nebo lomu takových vln nedochází k žádné konverzi režimu. Při dopadu na volnou hranici nebo hranici s kapalinou se taková vlna zcela odrazí ( R= 1) podle zákona zrcadlového odrazu. Na rozhraní dvou izotropních pevných látek spolu se zrcadlově odraženou vlnou v médiu 2 vzniká lomená vlna s polarizací Při dopadu příčné vlny polarizované v rovině dopadu na volný povrch tělesa vzniká na hranici jak odražená vlna stejné polarizace, tak podélná vlna. , menší než kritický úhel = = arcsin ( cT/cL), součinitel odrazy R T a R L-čistě reálné: odražené vlny opouštějí hranici přesně ve fázi (nebo mimo fázi) s dopadající vlnou. Na hranici odchází pouze zrcadlově odražená příčná vlna; v blízkosti volné hladiny vzniká nehomogenní podélná vlna.
Coef. odraz se stává složitým, Pokud je hranice pevného tělesa v kontaktu s kapalinou, pak při odrazu vln (podélných nebo příčných, 2. Leží také v rovině dopadu.

Ó . h. na rozhraní mezi anizotropními prostředími. Ach. na krystalickém rozhraní. prostředí je složité. a odražené a lomené vlny jsou v tomto případě samy funkcemi úhlů odrazu a lomu (viz. krystalová akustika); proto i definice úhlů a pro daný úhel dopadu naráží na vážné problémy. potíže. Pokud jsou známy řezy povrchů vlnových vektorů rovinou dopadu, použije se grafika. metoda pro určování úhlů a konců vlnových vektorů k r a k t ležet na kolmici NN", nakreslený na rozhraní přes konec vlnového vektoru k i dopadající vlna, v bodech, kde se tato kolmice protíná dek. povrchy dutin vlnových vektorů (obr. 3). Počet odražených (nebo lomených) vln, které se skutečně šíří z rozhraní do hloubky odpovídajícího prostředí, je určen tím, kolik dutin kolmice protíná. NN". Pokud je křižovatka s k.-l. zcela chybí, to znamená, že vlna odpovídající polarizace se ukáže jako nehomogenní a nepřenáší energii z hranice. Kolmý NN" může projít stejnou dutinou v několika. body (body A 1 a a 2 na Obr. 3). Z možných poloh vlnového vektoru k r (nebo k t) skutečně pozorované vlny odpovídají pouze těm, pro které je vektor radiální rychlosti,

Rýže. 3. Grafická metoda stanovení úhlového odrazu a lomu na rozhraní krystalických prostředí 1 a 2.L, FT a SVATÝ- plochy vlnových vektorů pro kvazi-podélné, Odražené (lomené) vlny patří zpravidla do dekomp. akustické větve. kolísání. Nicméně v krystalech to znamená. anizotropie, kdy má povrch vlnových vektorů konkávní úseky (obr. 4), je možný odraz za vzniku dvou odražených nebo lomených vln patřících do stejné oscilační větve.
Experimentálně jsou pozorovány konečné svazky zvukových vln, jejichž směry šíření jsou určeny radiálními rychlostmi. NN" k rozhraní. Zejména odražený může ležet v rovině dopadu na stejné straně normály N, což je dopadající paprsek. Limitujícím případem této možnosti je superpozice odraženého paprsku na dopadající paprsek s jeho šikmým dopadem.

Rýže. 4. Odraz akustické vlny dopadající na volný povrch krystalu za vzniku dvou odražených vln stejné polarizace: A- určení vlnových vektorů odražených vln (s G jsou vektory radiální rychlosti); b- schéma odrazu zvukových paprsků konečného průřezu.

Vliv útlumu na charakter O. h..součinitel odrazy a prostupy nezávisí na frekvenci zvuku, pokud je útlum zvuku v obou hraničních prostředích zanedbatelný. Znatelný útlum vede nejen k frekvenční závislosti koeficientu. odrazy R, ale také zkresluje jeho závislost na úhlu dopadu, zejména blízko kritického. rohy (obr. 5, A). Při odrazu od rozhraní mezi kapalinou a pevnou látkou tlumící efekty výrazně mění úhlovou závislost R při úhlech dopadu blízkých Rayleighovu úhlu (obr. 5 B). Na rozhraní mezi médii se zanedbatelným tlumením při takových úhlech dopadu | R|= 1 (křivka 1 na Obr. 5, b). Přítomnost útlumu vede k tomu, že | | R| se stává méně než 1 a téměř tvoří minimum | | R|(křivky 2 - 4). S rostoucí frekvencí a odpovídajícím zvýšením koeficientu. útlum, hloubka minima se zvětšuje, f 0 , naz. nulová frekvence odrazu, min. hodnota | R| nezmizí (křivka 3, obr. 5, b). Další zvýšení frekvence vede k rozšíření minima (křivky 4 ) vliv útlumových účinků na O. h. pro téměř jakýkoli úhel dopadu (křivka 5). Pokles amplitudy odražené vlny oproti amplitudě dopadající vlny neznamená, že dopadající záření proniká do pevného tělesa. Je spojena s absorpcí netěsné Rayleighovy vlny, která je buzena dopadajícím zářením a podílí se na vzniku odražené vlny. Když frekvence zvuku F rovna frekvenci F 0, veškerá energie dopadající vlny se rozptýlí na rozhraní.

Rýže. 5. Úhlová závislost | R| na hranici voda - ocel, s přihlédnutím k útlumu: A- obecná povaha úhlové závislosti | R|; plná čára - bez zohlednění ztrát, přerušovaná čára - totéž s útlumem; b- úhlová závislost | R blízko Rayleighova úhlu při různých hodnotách absorpce příčných vln v oceli na vlnové délce. Křivky 1 - 5 odpovídá zvýšení tohoto parametru z hodnoty 3 x 10 -4 (křivka 1 ) na hodnotu = 1 (křivka 5) v důsledku odpovídajícího zvýšení frekvence dopadajícího ultrazvukového záření.

Ach. z vrstev a desek.Ó. h. z vrstvy nebo desky je rezonanční. Odražené a prošlé vlny se tvoří jako výsledek vícenásobných odrazů vln na hranicích vrstvy. V případě kapalné vrstvy proniká dopadající vlna vrstvou pod úhlem lomu určeným ze Snellova zákona. V důsledku zpětných odrazů vznikají v samotné vrstvě podélné vlny, které se šíří v dopředném a zpětném směru pod úhlem k normále nakreslené k hranicím vrstvy (obr. 6, Obr. A). Úhel je úhel lomu odpovídající úhlu dopadu na hranici vrstvy. Pokud je rychlost zvuku ve vrstvě S 2 vyšší rychlost zvuku S 1 v okolní kapalině, pak systém odražených vln vzniká teprve tehdy, když úhel celkové int. odrazy \u003d arcsin (c 1 / c 2). U dostatečně tenkých vrstev se však přenášená vlna vytváří i při úhlech dopadu větších než je kritický. V tomto případě koeficient odraz od vrstvy se ukáže jako abs. méně než 1. To je způsobeno tím, že ve vrstvě poblíž hranice, na kterou vlna dopadá zvenčí, vzniká nehomogenní vlna, která exponenciálně klesá do hloubky vrstvy. Pokud je tloušťka vrstvy d je menší nebo srovnatelná s hloubkou pronikání nehomogenní vlny, pak tato naruší opačnou hranici vrstvy, v důsledku čehož je přenášená vlna z ní vyzařována do okolní kapaliny. Tento jev prosakování vln je analogický prosakování částic v kvantové mechanice.
Coef. odlesky vrstev

kde je normální složka vlnového vektoru ve vrstvě, osa z- kolmo k hranicím vrstev, R 1 a R 2 - kurz. Ach. je periodikum funkce frekvence zvuku F a tloušťku vrstvy d. Když dojde k pronikání vlny vrstvou, | R | s rostoucím F nebo d inklinuje monotónně k 1.

Rýže. 6. Odraz zvukové vlny od vrstvy kapaliny: a - schéma odrazu; 1 - okolní tekutina; 2- vrstva; b - závislost modulu koeficientu odrazu | R| roh pádu.

Jako f-tion hodnoty úhlu dopadu | R | má systém maxim a minim (obr. 6, b). Pokud je na obou stranách vrstvy stejná kapalina, pak v minimálních bodech R= 0. K nulovému odrazu dochází, když se fázový postup přes tloušťku vrstvy rovná celému počtu půlcyklů

a vlny vystupující do horního prostředí po dvou po sobě jdoucích odrazech budou v protifázi a vzájemně se zruší. Naopak všechny zpětně odražené vlny vystupují do spodního prostředí se stejnou fází a amplituda přenášené vlny se ukazuje jako maximální. přenos nastává, když se do tloušťky vrstvy vejde celý počet půlvln: d= kde . =1,2,3,..., - délka zvukové vlny v materiálu vrstvy; proto jsou volány vrstvy, pro které je splněna podmínka (8). poloviční vlna Vztah (8) se shoduje s podmínkou existence normální vlny ve volné vrstvě kapaliny. Z tohoto důvodu dochází k úplnému přenosu skrz vrstvy, když dopadající záření vybudí jednu nebo druhou normální vlnu ve vrstvě. Normální vlna je vlivem kontaktu vrstvy s okolní kapalinou netěsná: při svém šíření zcela přezáří energii dopadajícího záření do spodního prostředí.
Když jsou kapaliny na opačných stranách vrstvy odlišné, přítomnost půlvlnné vrstvy nemá žádný vliv na dopadající vlnu: odraz od vrstvy se rovná koeficientu. odrazy od hranice těchto kapalin, když jsou přímo. Kontakt. Kromě půlvlnných vrstev v akustice, stejně jako v optice, tzv. čtvrtvlnné vrstvy, jejichž tloušťky splňují podmínku ( n= 1,2, ...) Výběr vhodné akustiky. impedance vrstvy, můžete získat nulový odraz od vlnové vrstvy s danou frekvencí F pod určitým úhlem dopadu na vrstvu. Takové vrstvy se používají jako antireflexní akustické vrstvy.
Pro odraz zvukové vlny od nekonečné pevné desky ponořené do kapaliny bude povaha odrazu popsaná výše pro vrstvu kapaliny obecně zachována. Při zpětných odrazech v desce budou kromě podélných vybuzeny i smykové vlny. Úhly a , pod kterými se šíří podélné a příčné vlny v desce, jsou vztaženy k úhlu dopadu podle Snellova zákona. Úhel a frekvenční závislost| R| bude představovat, stejně jako v případě odrazu od vrstvy kapaliny, systém střídajících se maxim a minim. K úplnému přenosu skrz desku dochází, když dopadající záření vybudí jednu z normálních vln uvnitř ní, což jsou následující Jehněčí vlny. Zvučný charakter O. z. z vrstvy nebo desky se smaže, když se akustický rozdíl mezi nimi sníží. vlastnosti z vlastností prostředí. Akustické zvýšení. a | R(fd)|.

Odraz nerovinných vln. Ve skutečnosti existují pouze nerovinné vlny; jejich odraz lze redukovat na odraz soustavy rovinných vln. Jednobarevné vlna s libovolnou vlnoplochou může být reprezentována jako soubor rovinných vln se stejnou kruhovou frekvencí, ale s diff. směry vlnového vektoru k. Hlavní charakteristika dopadajícího záření je jeho prostorová - soubor amplitud A(k) rovinné vlny, které dohromady tvoří dopadající vlnu. Břišní svaly. hodnota k je určena frekvencí, takže není nezávislá. Při odrazu od letadla z= 0 normální složka kz je dáno tečnými složkami k x, k y: k z=Každý , který je součástí dopadajícího záření, dopadá na rozhraní pod vlastním úhlem a odráží se nezávisle na ostatních vlnách. Pole F( r) odražené vlny vzniká jako superpozice všech odražených rovinných vln a vyjadřuje se prostorovým spektrem dopadajícího záření A(k x, k y)koef. odrazy R(k x, k y):

Integrace se rozšiřuje do oblasti libovolně velkých hodnot kx a k y . Pokud prostorové spektrum dopadajícího záření obsahuje (jako při odrazu kulové vlny) složky s kx(nebo k y), velký , pak při vzniku odražené vlny, kromě vln s reál kzúčastní se i nestejnoměrné vlny, pro které k,-čistá hodnota. Tento přístup, navržený v roce 1919 H. Weylem a dále rozvinutý v reprezentacích Fourierovy optiky, je konzistentní. popis odrazu libovolné vlny od rovinného rozhraní.
Při úvahách o O. z. možný je i paprskový přístup, který je založen na principech geometrická akustika. Dopadající záření je považováno za soubor paprsků interagujících s rozhraním. To bere v úvahu, že dopadající paprsky se nejen odrážejí a lámou obvyklým způsobem podle Snellových zákonů, ale že se část paprsků dopadajících na rozhraní pod určitými úhly vzrušuje. n. boční vlny, stejně jako netěsný (Rayleigh a další) nebo netěsný vlnovod (Lamb vlny atd.). Tyto vlny se šíří po rozhraní a jsou opět vyzařovány do prostředí a podílejí se na tvorbě odražené vlny. Pro procvičování odraz je kulový. vlny se akusticky kolimovaly. paprsky konečného průřezu a fokusované zvukové paprsky.

Odraz kulových vln. Vzor odrazu je kulový. vlna vytvořená v kapalině I bodovým zdrojem Ó, závisí na poměru mezi rychlostmi zvuku S 1 a od 2 do kontaktování kapalin I a II (obr. 7). Jestliže c t > c 2 , pak kritická úhel chybí a k odrazu dochází podle geom zákonů. akustika. V prostředí I je odražený kulový. O". tvořící imaginární obraz zdroje a odražená vlna je součástí koule se středem v bodě Ó".

Rýže. 7. Odraz kulové vlny na rozhraní dvou kapalin: Ó a O" - skutečné imaginární zdroje; 1 - přední část odražené kulové vlny; 2 - přední část lomené vlny; 3 - přední strana boční vlny.

Když c 2 l a existuje kritický úhel v prostředí I kromě odraženého kulového. vln, vzniká další složka odraženého záření. Paprsky dopadající na rozhraní pod kritickým. úhlu vybudit druhou vlnu v médiu, která se šíří rychlostí S 2 podél rozhraní a je reemitován do média I, tvoří tzv. Oh, spolu OA a pak se znovu přesunul do středu I v dekomp. body rozhraní od bodu . dotochki Z, ve kterém je v tuto chvíli čelo lomené vlny. NE nakloněný k hranici pod úhlem a vybíhající do bodu V, kde splývá s přední částí zrcadlově odražené sférické. vlny. V prostoru je postranní vlnoplocha povrchem komolého kužele, který vzniká při rotaci segmentu SW kolem rovně OO". Při odrazu sférický. vlny v kapalině z povrchu pevného tělesa jsou podobné kuželosečkám. vlna vzniká v důsledku buzení prosakující Rayleighovy vlny na rozhraní. Odraz kulový. vlny - jeden z hlavních experimentů. metody geoakustiky, seismologie, hydroakustiky a oceánské akustiky.

Odraz akustických paprsků konečného průřezu. Odraz kolimovaných zvukových paprsků, vlnoplocha to-rykh v hlavní. část paprsku je téměř plochá, vyskytuje se pro většinu úhlů dopadu, jako by se odrážela rovinná vlna. Při odrazu paprsku nebo Rayleighova úhlu spolu se zrcadlovým odrazem nastává eff. boční nebo děravá Roleyova vlna. Pole odraženého paprsku je v tomto případě superpozicí zrcadlově odraženého paprsku a znovu vyzařovaných vln. V závislosti na šířce paprsku a elastických a viskózních vlastnostech navazujících médií dochází buď k laterálnímu (paralelnímu) posunu paprsku v rovině rozhraní (tzv. Schochov posun) (obr. 8) nebo k výraznému rozšíření paprsku a vzhled tenkého

Rýže. 8. Boční posun paprsku při odrazu: 1 - dopadající paprsek; 2 - zrcadlově odražený paprsek; 3- skutečně odražený paprsek.

struktur. Když paprsek dopadá pod Rayleighovým úhlem, povaha zkreslení je určena poměrem mezi šířkou paprsku . ozařuje. tlumení děravé Rayleighovy vlny

kde je délka zvukové vlny v kapalině, ALE -číselný faktor blízký jedné. Pokud je šířka paprsku mnohem větší než délka poloměrů. V případě úzkého paprsku se vlivem reemise netěsné povrchové vlny paprsek výrazně rozšíří a přestává být symetrický (obr. 9). Uvnitř oblasti obsazené zrcadlově odraženým paprskem v důsledku interference nastane minimum nulové amplitudy a paprsek se rozdělí na dvě části. Nezrcadlový odraz kollí.

Rýže. 9. Odraz zvukového paprsku o konečném průřezu, dopadajícího z kapaliny W na povrch pevného tělesa T pod Rayleighovým úhlem: 1 - dopadající paprsek; 2 - odražený paprsek; a - oblast nulové amplitudy; b- oblast konce paprsku.

V druhém případě je nezrcadlový charakter odrazu způsoben excitací prosakujících vlnovodů ve vrstvě nebo desce. Důležitou roli hrají boční a netěsné vlny při odrazu zaostřených ultrazvukových paprsků. Tyto vlny se používají zejména v mikroskopicky akustické pro tvorbu akustiky. obrázky a množství, lit.: 1) Brekhovskikh L. M., Waves in layered media, 2. vydání, M., 1973; 2) Landau L.D., Lifshits E.M., Hydrodynamics, 4. vydání, M., 1988; 3) Brekhovskikh L. M., Godin O. A., Akustika vrstvených médií, V. M. Levin.

Fyzická encyklopedie. V 5 svazcích. - M.: Sovětská encyklopedie. Šéfredaktor A. M. Prochorov. 1988 .

Podle UMC a dalších..

Kapitola 2: Zvukové jevy

Téma:

Typ lekce: kombinované

Účel lekce: studium vlastností zvuku a fenoménu odrazu zvuku

Účel lekce (studenti): osvojení znalostí o vlastnostech zvuku a odrazu zvuku

Cíle lekce: - formovat znalosti o fyzikálních (amplituda, frekvence) a fyziologických (výška, hlasitost, zabarvení) vlastností zvuku;

Rozvíjet osobní, regulační, komunikativní univerzální vzdělávací aktivity;

Pěstovat kognitivní zájem, zvídavost, pozitivní motivaci k učení.

Mapa zabezpečení lekce

Plánované výsledky metapředmětu:

Prezentovat informace slovní i grafickou formou.

Uveďte příklady různých zvuků. V každém případě určete zdroj zvuku.

Jak vzniká zvuková vlna?

Co víte o rychlosti zvukových vln v různých médiích?

Proč je rychlost zvuku rychlejší ve vodě než ve vzduchu?

Kognitivní činnost: systematizace a zobecnění poznatků o zvukových jevech, zdrojích zvuku, šíření a rychlosti zvuku

Regulační činnost: kontrola sebe sama a spolužáků v procesu reprodukce a korekce základních poznatků

3. Aktualizace znalostí

Učitel. Člověk žije ve světě zvuků. Slyšíme hlasy lidí, zpěv ptáků, zvuky hudebních nástrojů, hluk lesa, zvuk pracovních strojů. Co mají tyto zvuky společného a v čem se liší?

Student. Společné je, že všechny zvuky vydávají kmitající tělesa (lidské hlasivky, ptáci, struny hudebních nástrojů, větve stromů atd.) a tyto zvuky se mohou lišit například svou hlasitostí.

Učitel. Co podle vás určuje hlasitost zvuku? Jak je definováno? Chtěli byste znát odpověď na tuto otázku? Velmi dobře. Na otázku, která nás zajímá, odpovíme zkoumáním vlastností zvuku. Zapište si téma lekce „Hlasitost a výška tónu. Odraz zvuku. Dnes se seznámíme s fyzikálními a fyziologickými vlastnostmi zvuku, naučíme se rozlišovat nízké zvuky od vysokých, hlasité od tiché, zjistíme, co je to zabarvení, a také studujeme zákon odrazu zvukových vln.

Fáze 4. Učení nového vzdělávacího materiálu

4.1. Vytvoření a řešení problémové situace experimentem. Aktualizace subjektivní zkušenosti

Učitel. Pojďme zjistit, co určuje hlasitost zvuku? Udělejme následující experiment.

Demonstrace. Udeřte kladivem do dříku ladičky. Přivedeme korálek na niti na znějící ladičku. Co vidíme a proč?

Student. Korálka se odrazí od ladičky, protože ladička vydává zvuk, a proto stopka ladičky vibruje.

Učitel. Myslíte, že se vzdálenost patky od ladičky změní, když udeřím silněji?

Student. Myslím, že čím silněji narazíme na ladičku, tím více (více) se bude patka odchylovat.

Učitel. Ověříme náš předpoklad. (Demonstrace) Jaký je rozdíl mezi zvuky vydávanými ladičkami?

Student. Ladičky vydávají různé zvuky. Čím silněji narazíme na ladičku, tím větší amplituda bude vibrovat noha ladičky, a proto bude zvuk hlasitější.

Učitel. Závislost hlasitosti zvuku na amplitudě kmitů lze názorně demonstrovat pomocí ladičky s perem (podle obr. 137)

Graficky lze tuto závislost znázornit takto:

Učitel. Hlasitost zvuku je první fyziologickou vlastností zvuku, která je určena amplitudou vibrací zdroje zvuku. Pojďme k části 2 našeho experimentu. Na předváděcím stole jsou dvě ladičky. Jaký je jejich vnější rozdíl?

Student: Jsou různé velikosti, mají různou váhu.

Učitel. Demonstrace. Navrhuji předvést zvuk těchto ladiček a okomentovat výsledek.

Student. Tyto ladičky vydávají různé zvuky. Jeden je nízký, druhý vysoký. Myslím, že to souvisí s jejich váhou. Při stejné síle nárazu budou nohy ladičky vibrovat na různých frekvencích.

Učitel. Abychom tento předpoklad ověřili, zaznamenáváme vibrace ladiček na začištěnou desku. První ladička má nižší frekvenci a produkuje nízký zvuk, druhá ladička produkuje zvuk vyšší, takže čím vyšší je frekvence kmitání, tím vyšší je zvuk.

Graficky to lze znázornit takto:

Výška tónu je tedy druhou fyziologickou charakteristikou, která je určena frekvencí vibrací.

Nikdy si nespleteme zvuk trubky se zvukem klavíru. Hlas naší matky poznáme z tisíce hlasů. Zabarvení zvuku nám pomáhá rozlišit jeden zvuk od druhého.

Témbr- individuální rys komplexní zvukové vlny, je to způsobeno tím, že zvuk se skládá z řady jednoduchých zvuků různých frekvencí, to znamená, že má určitou „barvu“, to je kvalita zvuku a nazývá se zabarvení . To je další fyziologická vlastnost zvuku.

A teď zkuste pojmenovat, jaké hudební nástroje zní? (Počítačový záznam)

(odpovědi studentů)

Učitel.Hlasitost, výška a tón nazýváme fyziologické vlastnosti zvuku, protože souvisí s naším vnímáním. Fyziologické vlastnosti zvuku souvisí s fyzikálními, které umožňují odlišit hlasité zvuky od tichých, vysoké od nízkých, zvuky z různých zdrojů. Jaké jsou fyzikální vlastnosti zvuku?

Student. Fyzikální vlastnosti zvuku - amplituda a frekvence.

Učitel. Nyní se seznámíme s jednou z hlavních vlastností zvukových vln. Zvuková vlna, jako každá jiná, se může odrážet a lámat. odraz vln od překážek je jedním z nejčastějších jevů. Tento zákon odrazu je obecný vlnový zákon, tj. platí pro jakékoli vlnění, včetně zvuku i světla. Odraz vln od stínítka budeme pozorovat v experimentu (pokus podle obr. 141) Zkušenosti a pozorování ukazují, že odraz zvuku podléhá určitému zákonu: úhel dopadu je roven úhlu odrazu.

Učitel. Proveďme grafickou interpretaci zážitku na tabuli a vyvodíme závěr o vztahu mezi úhlem dopadu a odrazem

Student. Úhel odrazu se rovná úhlu dopadu.

Učitel. Když se šíří zvukové vlny, lze pozorovat jev zvaný echo. Vysvětluje se to vlastností odrazu vln od bariéry.

V lese, na horách, v interiéru je občas slyšet odraz zvuku od nějaké překážky (les, hory, zeď). Pokud k nám dosáhnou zvukové vlny, které se postupně odrážejí od řady překážek, dostaneme se násobek echo. Hromové role mají stejný původ! Jedná se o mnohonásobné opakování velmi silného „praskání“ obrovské elektrické jiskry blesku.

Echolokace je založena na odrazové vlastnosti zvuku.

Některá zvířata používají k určení vzdáleností echolokaci. Například delfíni pomocí echolokace s velkou přesností určují topografii dna a polohu svých bratrů nebo kořisti. Infrazvuk vysílaný netopýrem se odráží od potenciální kořisti a zachycuje jej myš. Podle doby letu zvukového signálu myš velmi přesně určí vzdálenost k objektu.

Fenomén odrazu zvuku využívají i echoloty – speciální přístroje pro určování hloubky moře. Hloubka moře někdy přesahuje 10 km a takovou hloubku nelze běžným losem (nákladem uvázaným na laně) změřit. Echolokátor vydává silný a krátký zvukový signál a poté zachytí ozvěnu odraženou od mořského dna.

https://pandia.ru/text/80/015/images/image010_21.jpg" width="252" height="189">

4.2. Samostatná práce studentů.

V pokračování rozvoje tématu a asimilaci nových znalostí jsou studenti vyzváni, aby samostatně studovali materiál, který mají na stole.

Učitel. Prostudujte si doplňkový materiál, prohlédněte si obrázky, odpovězte na otázky a proveďte vzájemné hodnocení

1) Jaké jsou příčiny ztráty sluchu?

2) Jaké jsou normy, které určují hlasitost zvuku podle SANPIN?

3) Podívejte se na obrázek. O kolik decibelů překračuje hlasitost diskotéky tyto normy?

Zvuky vnímané lidským uchem jsou jedním z nejdůležitějších zdrojů informací o světě kolem nás. Ucho je jedním z nejsložitějších a nejjemnějších orgánů, vnímá velmi slabé i velmi silné zvuky. Orgán sluchu je i v noci neustále „bdělý“, ve snu je neustále vystaven vnějším podnětům, jelikož nemá žádné ochranné prostředky, podobně jako například oční víčka, která chrání oči před světlem. Proto je třeba lidské ucho chránit nejen před mechanickým poškozením, ale i před hlasitými zvuky!

Moderní hluková nepohoda vyvolává v živých organismech bolestivé reakce. Hluk z letícího proudového letadla například působí na včelu depresivně, ztrácí schopnost navigace. Stejný hluk zabíjí larvy včel, rozbíjí otevřeně kladoucí vejce ptáků do hnízd. Pod vlivem intenzivních zvuků krávy dávají méně mléka, kuřata méně často spěchají, ptáci začínají intenzivně línat, klíčení semen se zpožďuje a dokonce i rostlinné buňky jsou zničeny. Není náhodou, že například stromy ve městě, i ve „spících“ oblastech, umírají dříve než v přírodních podmínkách.

V moderních velkoměstech se hluk několikrát zvýšil. Jestliže v 60. a 70. letech úroveň hlasitosti v ulicích nepřesáhla 80 dB, nyní dosahuje 100 dB i více. Na mnoha frekventovaných dálnicích ani v noci hluk neklesne pod 70 dB, přičemž podle hygienických norem by neměl překročit 40 dB.

Ve velkých městech Ruska (Petrohrad, Nižnij Novgorod, Krasnojarsk, Jekatěrinburg, Magnitogorsk atd.) na dálnicích se silným provozem (až 6–8 tisíc vozidel za hodinu) je zaznamenána průměrná hladina hluku 73–83 dB a maximum - až 90 dB nebo více.

Fáze 5 Primární kontrola porozumění probrané látce

Cílová: zjistit správnost a povědomí o probrané látce, identifikovat mezery, opravit mezery v porozumění látce

Způsoby a techniky provedení: studenti si připravují otázky, své příklady pozorování ozvěn, zvuků různé hlasitosti a výšek v přírodě, řešení kvalitativních úloh na zákon odrazu.

6. Fáze upevňování výukového materiálu

Cílová: zajistit v průběhu upevňování zvýšení úrovně porozumění probírané látce, hloubky porozumění.

K upevnění a prohloubení získaných znalostí slouží Pracovní sešit: č. 000, 259, úkoly umožňují aplikovat teoretické poznatky v praxi,

Fáze 7. Zadání domácího úkolu.

Úkol tvůrčí úrovně je nabízen těm, kteří považují za možné pro sebe vykonávat samostatnou tvůrčí práci.

Fáze 8. Shrnutí lekce a reflexe

Cílová: kvalitativně zhodnotit práci třídy a jednotlivých studentů; iniciovat u žáků reflexi motivace jejich činností a interakce s učitelem a spolužáky

Učitel. Pojďme si tedy shrnout naši lekci. Nyní víme, jaká je výška, hlasitost a zabarvení zvuku a jakými fyzikálními veličinami se vyznačují, že odraz zvuku se řídí určitým vzorem a může vést k pozorování takového jevu, jako je ozvěna, a také jsme se seznámili s úvahou a uplatnění odrazu zvuku v technologii.

Zvuk se ze znějícího tělesa šíří rovnoměrně všemi směry, pokud mu v cestě nestojí překážky. Ne každá překážka ale může omezit její šíření. Zvuk nemůže být odstíněn malým listem lepenky, jako před paprskem světla. Zvukové vlny, stejně jako jakékoli vlny, jsou schopny obejít překážky, "nevšimnout si" je, pokud jsou jejich rozměry menší než vlnová délka. Délka zvukových vln slyšených ve vzduchu se pohybuje od 15 m do 0,015 m. Pokud jsou překážky v jejich cestě menší (například kmeny stromů ve světlých lesích), tak je vlny jednoduše obcházejí. Velká překážka (stěna domu, kámen) odráží zvukové vlny podle stejného zákona jako světelné vlny: úhel dopadu se rovná úhlu odrazu. Echo je odraz zvuku od překážek.

Způsob, jakým se zvuk pohybuje z jednoho média na druhé. Tento jev je poměrně složitý, ale řídí se obecným pravidlem: zvuk nepřechází z jednoho média do druhého, pokud se jejich hustoty výrazně liší, například od vody ke vzduchu. Při dosažení hranice těchto médií se téměř úplně odráží. Velmi malá část jeho energie je vynaložena na vibrace povrchových vrstev jiného média. Po ponoření hlavy pod hladinu řeky stále uslyšíte hlasité zvuky, ale v hloubce 1 m neuslyšíte nic. Ryby neslyší zvuk, který je slyšet nad hladinou moře, ale zvuk z těla vibrujícího ve vodě, slyší dobře.

Zvuk je slyšet přes tenké stěny, protože je nutí vibrovat a zdá se, že reprodukují zvuk již v jiné místnosti. Dobré zvukově izolační materiály - vlna, vlněné koberce, stěny z pěnového betonu nebo porézní suché omítky - se liší jen tím, že mají spoustu rozhraní mezi vzduchem a pevným tělesem. Při průchodu každým z těchto povrchů se zvuk opakovaně odráží. Ale navíc ho pohlcuje samotné médium, ve kterém se zvuk šíří. Stejný zvuk je slyšet lépe a dále v čistém vzduchu než v mlze, kde je pohlcen rozhraním mezi vzduchem a kapkami vody.

Zvukové vlny různých frekvencí jsou ve vzduchu pohlcovány různě. Silnější - vysoké zvuky, méně - nízké, jako jsou basy. Proto lodní píšťalka vydává tak nízký zvuk (jeho frekvence není větší než 50 Hz): na větší vzdálenost je slyšet nízký zvuk. Velký zvon v moskevském Kremlu, když ještě visel na zvonici „Ivan Veliký“, byl slyšet na 30 mil – hučel tónem asi 30 Hz (fa suboktáva). Infrazvuky jsou absorbovány ještě méně, zejména ve vodě. Ryby je slyší na desítky a stovky kilometrů. Ultrazvuk je ale absorbován velmi rychle: ultrazvuk o frekvenci 1 MHz je ve vzdálenosti 2 cm zeslaben na polovinu, zatímco zvuk o frekvenci 10 kHz je ve vzdálenosti 2200 m zeslaben na polovinu.

Energie zvukové vlny

Chaotický pohyb částic hmoty (včetně molekul vzduchu) se nazývá tepelný. Když se vzduchem šíří zvuková vlna, její částice získávají kromě tepelného ještě další pohyb – vibrační. Energii pro takový pohyb dává částicím vzduchu vibrující těleso (zdroj zvuku); zatímco osciluje, energie se z něj nepřetržitě přenáší do okolního vzduchu. Čím dále zvuková vlna prochází, tím je slabší, tím méně energie má. Totéž se děje se zvukovou vlnou v jakémkoli jiném elastickém médiu – v kapalině, v kovu.

Zvuk se šíří rovnoměrně všemi směry a vrstvy stlačeného vzduchu, které vznikly z jednoho impulsu, tvoří v každém okamžiku jakoby povrch koule, v jejímž středu je znějící těleso. Poloměr a povrch takového "koule" neustále rostou. Stejné množství energie dopadá na stále větší a větší plochu „koule“. Povrch koule je úměrný druhé mocnině poloměru, takže množství energie zvukové vlny procházející řekněme čtverečním metrem povrchu je nepřímo úměrné druhé mocnině vzdálenosti od znějícího tělesa. Proto se zvuk na dálku stává slabší. Ruský vědec N. A. Umov zavedl do vědy koncept toku hustoty energie. Vhodné je také měřit sílu (intenzitu) zvuku velikostí toku energie. Tok hustoty energie ve zvukové vlně je množství energie, která projde za sekundu jednotkovým povrchem kolmým ke směru vlny. Čím větší je tok hustoty energie, tím větší je síla zvuku. Tok energie se měří ve wattech na metr čtvereční (W/m²).