Відображення звуку від перешкод і межі двох середовищ. Акустика приміщень

Відображення звуку- явище, що виникає при падінні звукової хвилі на межу розділу двох пружних середовищ і що складається в освіті хвиль, що поширюються від кордону розділу в ту ж середу, з якої прийшла падаюча хвиля. Як правило, О. з. супроводжується утворенням заломлених хвиль у другому середовищі. Окремий випадок О. з. - Відображення від вільної поверхні. Зазвичай розглядається відображення на плоских межах розділу, проте можна говорити про О. з. від перешкод довільної форми, якщо розміри перешкоди значно більші за довжину звукової хвилі. Інакше має місце розсіювання звукуабо дифракція звуку.
Падаюча хвиля викликає рух кордону поділу середовищ, в результаті якого виникають відбиті і заломлені хвилі. Їх структура та інтенсивність повинні бути такими, щоб по обидві сторони від межі розділу швидкості частинок і пружні напруги, що діють на межу розділу, були рівні. Граничні умови на вільній поверхні полягають у рівності нулю пружних напруг, що діють на цю поверхню.
Відбиті хвилі можуть збігатися за типом поляризації з падаючою хвилею, а можуть мати і ін. В останньому випадку говорять про перетворення, або конверсії, моди при відображенні або заломленні. Конверсія відсутня тільки при відображенні звукової хвилі, що розповсюджується в рідині, оскільки в рідкому середовищі існують лише поздовжні хвилі. При проходженні звуковою хвилею межі розділу твердих тіл утворюються, як правило, і поздовжні та поперечні відбиті та заломлені хвилі. Складний характер О. з. має місце межі кристаллич. середовищ, де у випадку виникають відбиті і заломлені хвилі трьох разл. поляризацій.
Відображення плоских хвиль. p align="justify"> Особливу роль грає відображення плоских хвиль, оскільки плоскі хвилі, відбиваючись і заломлюючись, залишаються плоскими, а відображення хвиль довільної форми можна розглядати як відображення сукупності плоских хвиль. Кількість виникаючих відбитих і заломлених хвиль визначається характером пружних властивостей середовищ і числом акустич. гілок, що існують у них. З огляду на граничних умов проекції на площину розділу хвильових векторів падаючої, відбитих і заломлених хвиль рівні між собою (рис. 1).

Мал. 1. Схема відображення та заломлення плоєної звукової хвилі на плоскій межі розділу.

Звідси випливають закони відображення і заломлення, згідно з якими: 1) хвильові вектори падаючої k i, відбитих k rта заломлених k tхвиль і нормаль NN"до межі розділу лежать у одній площині (площині падіння); 2) відносини синусів кутів падіння відображення та заломлення до фазових швидкостей c i, і відповідних хвиль рівні між собою:
(Індекси і позначають поляризації відбитих і заломлених хвиль). В ізотропних середовищах, де напрямки хвильових векторів збігаються з напрямками звукових променів, закони відбиття та заломлення набувають звичної форми закону Снелля. У анізотропних середовищах закони відображення визначають напрями хвильових нормалей; як поширюватися заломлені або відбиті промені, залежить від напрямку променевих швидкостей, що відповідають цим нормалям.
При досить малих кутах падіння всі відбиті і заломлені хвилі є плоскими хвилями, що забирають енергію падаючого випромінювання від межі розділу. Однак, якщо швидкість до-л. заломленої хвилібільше швидкості c iпадаючої хвилі, то для кутів падіння, великих т.з. критич. кута = arcsin, нормальна компонента хвильового вектора відповідної заломленої хвилі стає уявною, а сама хвиля, що пройшла, перетворюється на неоднорідну хвилю, що біжить вздовж поверхні розділу і експоненційно спадає в глиб середовища 2 . Однак падіння хвилі на межу розділу під кутом, більшим за критичний, може і не призводити до повного відображення, оскільки енергія падаючого випромінювання може проникати у 2-у середу у вигляді хвиль іншої поляризації.
Критич. кут існує і для відбитих хвиль, якщо при О. з. відбувається конверсія мод і фазова швидкість хвилі, що виникає в результаті конверсії, більше швидкості c iпадіння хвилі. Для кутів падіння, менших критич. кута частина падаючої енергії відноситься від кордону у вигляді відбитої хвилі з поляризацією; при така хвиля виявляється неоднорідною, що загасає в глибину середовища 1, і не бере участі в перенесенні енергії від межі розділу. наприклад, критич. кут = arcsin( cт /c L) виникає при відображенні поперечної акустич. хвилі Твід межі ізотропного твердого тіла та конверсії її в поздовжню хвилю L (зт і C L- швидкості поперечної та поздовжньої звукової хвилі відповідно).
Амплітуди відбитих і заломлених хвиль відповідно до граничних умов лінійним чином виражаються через амплітуду А іпадаючої хвилі, подібно до того, як ці величини в оптиці виражаються через амплітуду падаючої ел-магн. хвилі за допомогою Френеля формул. Відображення плоскої хвилі кількісно характеризується амплітудними коефами. відбиття, що являють собою відношення амплітуд відбитих хвиль до амплітуди падаючої: = Амплітудні коеф. відображення у випадку комплексні: їх модулі визначають відносини абс. значенні амплітуд, а фази задають фазові зрушення відбитих хвиль. Аналогічно визначаються і амплітудні коеф. проходження Перерозподіл енергії падаючого випромінювання між відбитими та заломленими хвилями характеризується коеф. відображення та проходження по інтенсивності, що являють собою відношення нормальних до межі розділу компонент середніх за часом щільностей потоків енергії у відбитій (переломленій) і в хвилях, що падає:

де - інтенсивності звуку у відповідних хвилях, і - щільності дотичних середовищ. Баланс енергії, що підводиться до межі розділу та відноситься від неї, зводиться до балансу нормальних компонентів потоків енергії:

Коеф. Відбиття залежать як від акустич. властивостей дотичних середовищ, і від кута падіння. Характер кут. залежність визначається наявністю критич. кутів, а також кутів нульового відображення, при падінні під якими відбита хвиля з поляризацією не утворюється.

О. з. на межі двох рідин. наиб. проста картина О. з. виникає межі розділу двох рідин. Конверсія хвиль у своїй відсутня, і відбиток відбувається за дзеркальним законом, а коэф. відображення дорівнює

де і c 1,2 - щільності та швидкості звуку в середовищах, що межують 1 і 2 . Якщо швидкість звуку для падаючої хвилі більша за швидкість звуку для заломленої ( з 1 >c 2), то критич. кут відсутня. Коеф. відображення дійсний і плавно змінюється від значення

при нормальному падінні хвилі на межу розділу до значення R =- 1 під час ковзного падіння Якщо акустич. імпеданс r 2 з 2 середовища 2 більше імпедансу середовища 1 , то при вугіллі падіння

коеф. відображення звертається в нуль і все падаюче випромінювання повністю проходить у середу 2 .
Коли з 1<с 2 , возникает критический угол=arcsin (c 1 /c 2). При< коэф. отражения - действительная величина; фазовый сдвиг между падающей и отражённой волнами отсутствует. Величина коэф. отражения меняется от значения R 0при нормальному падінні до R = 1 при куті падіння, що дорівнює критичному. Нульове відображення і в цьому випадку може мати місце, якщо для акустич. імпедансів середовищ виконується зворотна нерівність кут нульового відображення, як і раніше, визначається виразом (6). Для кутів падіння, великих критичного, має місце повне внутр. відображення: і падаюче випромінювання в глибину середовища 2 не проникає. У середовищі 2 проте формується неоднорідна хвиля; з її виникненням пов'язані комплексність коеф. відображення та відповідний фазовий зсув між відбитою і падаючою хвилями. Цей зсув пояснюється тим, що поле відбитої хвилі формується в результаті інтерференції двох полів: дзеркально відбитої хвилі і хвилі, що пере-випромінюється в середу 1 неоднорідною хвилею, що виникла в середовищі 2 . При відображенні непоганих (напр., сферичних) хвиль така перевипромінювана хвиля спостерігається реально в експерименті у вигляді т.з. бічній хвилі (див. Хвилі, розділ Відображення та заломлення хвиль).

О. з. від кордону твердого тіла. Характер відбиття ускладнюється, якщо відбивачем є тверде тіло. Коли швидкість звуку зв рідині менше швидкостей поздовжнього з Lта поперечного зт звуку у твердому тілі, при відображенні на межі рідини з твердим тілом виникають два критич. кута: поздовжній = arcsin ( с/с L) і поперечний = arcsin ( с/ст ) . При цьому, оскільки завжди з L > зт. При кутах падіння коеф. відображення дійсний (рис. 2). Падаюче випромінювання проникає в тверде тіло у вигляді поздовжньої, так і поперечної заломлених хвиль. При нормальному падінні звуку в твердому тілі виникає лише поздовжня хвиля та значення R 0 визначається ставленням поздовжніх акустич. імпедансів рідини та твердого тіла аналогічно ф-ле (5) (- щільності рідини та твердого тіла).

Мал. 2. Залежність модуля коефіцієнта відбиття звуку | R | (суцільна лінія) та його фази (штрих-пунктирна лінія) на межі рідини та твердого тіла від кута падіння.

При > коеф. відображення стає комплексним, оскільки у твердому тілі поблизу кордону утворюється неоднорідна хвиля. При кутах падіння, ув'язнених між критич. кутами і частина падаючого випромінювання проникає в глиб твердого тіла у вигляді заломленої поперечної хвилі. Тому для<<величина лишь при поперечная волна не образуется и |R |= 1. Участь неоднорідної поздовжньої хвилі у формуванні відбитого випромінювання зумовлює, як і межі двох рідин, фазовий зсув у відбитої хвилі. При > має місце повне внутр. Відображення: 1. У твердому тілі поблизу кордону утворюються лише неоднорідні хвилі, що експоненційно спадають в глиб тіла. Фазовий зсув у відбитої хвилі для кутів пов'язаний в основному з збудженням на межі розділу, що витікає Релея хвилі. Така хвиля виникає на межі твердого тіла з рідиною при кутах падіння, близьких до кута Релея = arcsin ( с/р R), де C R- Швидкість хвилі Релея на поверхні твердого тіла. Поширюючись вздовж поверхні розділу, хвиля, що витікає, повністю перевипромінюється в рідину.
Якщо з > зт, то повне внутр. відображення на межі рідини з твердим тілом відсутнє: падаюче випромінювання проникає в тверде тіло при будь-якому куті падіння, принаймні у вигляді поперечної хвилі. Повне відображення виникає під час падіння звукової хвилі під критич. кутом або при ковзному падінні. При c>c L коеф. відображення дійсний, тому що неоднорідні хвилі на межі розділу не утворюються.
О. з., що поширюється в твердому тілі. У разі поширення звуку в ізотропному твердому тілі наиб. простий характер носить відбиток зсувних хвиль, напрям коливань в яких брало паралельно площині розділу. Конверсія мод при відображенні чи заломленні таких хвиль відсутня. При падінні на вільний кордон або межу поділу з рідиною така хвиля відбивається повністю ( R = 1) згідно із законом дзеркального відображення. На межі поділу двох ізотропних твердих тіл поряд із дзеркально відбитою хвилею в середовищі 2 утворюється заломлена хвиля з поляризацією, а також паралельної межі розділу.
При падінні поперечної хвилі, поляризованої в площині падіння, на вільну поверхню тіла, на кордоні виникає як відбита поперечна хвиля тієї ж поляризації, так і поздовжня хвиля. При кутах падіння, менших за критичний кут = = arcsin ( c T /c L), Коеф. відображення R T і R L- суто дійсні: відбиті хвилі йдуть від кордону точно у фазі (або в протифазі) з падаючою хвилею. При > від кордону йде лише дзеркально відбита поперечна хвиля; поблизу вільної поверхні утворюється неоднорідна поздовжня хвиля.
Коеф. відбиття стає комплексним, і між відбитою і падаючою хвилями виникає фазовий зсув, величина якого залежить від кута падіння. При відбитті від вільної поверхні твердого тіла поздовжньої хвилі за будь-якого куті паденпя виникають як відбита поздовжня хвиля, і поперечна хвиля, поляризована в площині падіння.
Якщо межа твердого тіла знаходиться в контакті з рідиною, то при відображенні хвиль (поздовжньої або поперечної, поляризованої в площині падіння) рідини додатково виникає заломлена поздовжня хвиля. На межі розділу двох ізотропних твердих середовищ до цієї системи відбитих і заломлених хвиль додається ще заломлена поперечна хвиля в середовищі 2 . Її поляризація також лежить у площині падіння.

О. з. на межі поділу анізотропних середовищ. О. з. межі розділу кристаллич. середовищ носить складний характер. Швидкості і відбитих і заломлених хвиль у разі самі є ф-циями кутів відбиття і заломлення (див. Кристалоакустика;) тому навіть визначення кута за заданим кутом падіння стикається з серйозними матем. труднощами. Якщо відомі перерізи поверхонь хвильових векторів площиною падіння, використовується графич. метод визначення кутів та кінці хвильових векторів k rі k tлежать на перпендикулярі NN", проведеному до межі розділу через кінець хвильового вектора k iпадаючої хвилі, в точках, де цей перпендикуляр перетинає разл. порожнини поверхонь хвильових векторів (рис. 3). Кількість відбитих (або заломлених) хвиль, що реально розповсюджуються від межі розділу в глиб відповідного середовища, визначається тим, з скільки порожнинами перетинається перпендикуляр NN". Якщо перетин з к-л. порожниною відсутня, це означає, що хвиля відповідної поляризації виявляється неоднорідною і енергію від кордону не переносить. Перпендикуляр NN"може перетинати ту саму порожнину в дек. точках (точки a 1 та а 2на рис. 3). З можливих положень хвильового вектора k r (або k t)реально спостерігається хвиль відповідають лише ті, для яких брало вектор променевої швидкості, що збігається у напрямку з зовніш. нормаллю до поверхні хвильових векторів, спрямований від кордону в глиб відповідного середовища.

Мал. 3. Графічний метод визначення кутів відображення та заломлення на межі розділу кристалічних середовищ 1 і 2. L, FTі ST- Поверхні хвильових векторів для квазіподовжніх, швидких і повільних квазіпоперечних хвиль відповідно.

Як правило, відбиті (заломлені) хвилі належать разл. гілки акустич. коливання. Однак у кристалах значить. анізотропією, коли поверхня хвильових векторів має увігнуті ділянки (рис. 4), можливе відображення з утворенням двох відбитих або заломлених хвиль, що належать до однієї й тієї ж гілки коливань.
На досвіді спостерігаються кінцеві пучки звукових хвиль, напрями поширення яких брало визначаються променевими швидкостями. Напрямки променів у кристалах значно відрізняються від напряму відповідних хвильових векторів. Променеві швидкості падаючої, відбитих і заломлених хвиль лежать лише у площині лише виняткових випадках, напр. коли площина падіння є площиною симетрії для обох кристалів. середовищ. У загальному випадку відбиті та заломлені промені займають різноманітні положення як по відношенню один до одного, так і по відношенню до падаючого променя та нормалі. NN"до межі поділу. Зокрема, відбитий промінь може лежати в площині падіння по ту ж сторону від нормалі. N, що і падаючий промінь. Граничним випадком такої можливості є накладення відбитого пучка на падаючий при похилому падінні останнього.

Мал. 4. Відображення акустичної хвилі, що падає на вільну поверхню кристала з утворенням двох відбитих хвиль тієї ж поляризації: а- Визначення хвильових векторів відбитих хвиль (з g- Вектори променевої швидкості); б- Схема відображення звукових пучків кінцевого перерізу.

Вплив загасання на характер О. з. . Коеф. відображення та проходження не залежать від частоти звуку, якщо згасання звуку в обох граничних середовищах зневажливо мало. Помітне згасання призводить не тільки до частотної залежності коеф. відображення R, А й спотворює його залежність від кута падіння, особливо поблизу критич. кутів (рис. 5, а). При відображенні від межі розділу рідини з твердим тілом ефекти згасання суттєво змінюють кутову залежність. Rпри кутах падіння, близьких до релеївського кута (рис. 5,б). На межі середовищ із зневажливо малим згасанням при таких кутах падіння має місце повне внутрішнє відображення та | R| = 1 (крива 1 на рис. 5, б). Наявність згасання призводить до того, що | R| стає менше 1, а поблизу утворюється мінімум | R| (криві 2 - 4) . У міру збільшення частоти та відповідного зростання коеф. згасання глибина мінімуму збільшується, поки, нарешті, на деякій частоті f 0, зв. частотою нульового відбиття, хв. значення | R| не звернеться в нуль (крива 3 , Мал. 5, б). Подальше зростання частоти призводить до розширення мінімуму (крива 4 )і впливу ефектів згасання на О. з. практично для будь-яких кутів падіння (крива 5) . Зменшення амплітуди відбитої хвилі порівняно з амплітудою падаючої не означає, що падаюче випромінювання проникає у тверде тіло. Воно пов'язане з поглинанням витікаючої хвилі Релея, яка збуджується падаючим випромінюванням і бере участь у формуванні відбитої хвилі. Коли звукова частота fдорівнює частоті f 0 , вся енергія хвилі падаючої диссипується на межі розділу.

Мал. 5. Кутова залежність | R| на кордоні вода - сталь з урахуванням згасання: а- загальний характер кутової залежності R|; суцільна лінія - без урахування втрат, штрихова лінія - те саме з урахуванням згасання; б- Кутова залежність | R \поблизу релеєвського кута при різних значеннях поглинання поперечних хвиль сталі на довжині хвилі. Криві 1 - 5 відповідають збільшенню цього параметра значення 3 x 10 -4 (крива 1 )до значення = 1 (крива 5) рахунок відповідного зростання частоти падаючого УЗ-випромінювання.

О. з. від шарів та пластин. О. з. від шару чи пластини носить резонансний характер. Відбита і хвилі, що пройшла, формуються в результаті багаторазових перевідбиття хвиль на межах шару. У разі рідкого шару падаюча хвиля проникає в шар під кутом заломлення, що визначається із закону Снелля. За рахунок перевідбиття в самому шарі виникають поздовжні хвилі, що розповсюджуються в прямому і зворотному напрямках під кутом до нормалі, проведеної до кордонів шару (рис. 6, а). Кут являє собою кут заломлення, що відповідає куту падіння на межу шару. Якщо швидкість звуку у шарі з 2 більше швидкості звуку з 1 у навколишньої рідини, то система перевідбитих хвиль виникає лише тоді, коли менше кута повного всередину. Відбиття = arcsin (c 1 /c 2). Однак для досить тонких шарів хвиля, що пройшла, утворюється і при кутах падіння, великих критичного. І тут коеф. відбиття від шару виявляється за абс. величині менше 1. Це пов'язано з тим, що при шарі поблизу тієї його межі, на яку падає ззовні хвиля, виникає неоднорідна хвиля, що експоненційно спадає в глиб шару. Якщо товщина шару dменше або порівнянна з глибиною проникнення неоднорідної хвилі, то остання обурює протилежну межу шару, внаслідок чого з неї випромінюється в навколишню рідину хвиля, що пройшла. Це явище просочування хвилі аналогічно просочування частки через потенційний бар'єр у квантовій механіці.
Коеф. відбиття від шару

де - нормальна компонента хвильового вектора у шарі, вісь z- перпендикулярна межам шару, R 1 та R 2 – коеф. О. з. відповідно на верхній та нижній межах. При є періодич. ф-цію звукової частоти fта товщини шару d. При коли має місце просочування хвилі через шар, | R |при збільшенні fабо dмонотонно прагне 1.

Мал. 6. Відображення звукової хвилі від рідкого шару: а- Схема відображення; 1 - Навколишня рідина; 2 - шар; б - залежність модуля коефіцієнта відбиття | R |від кута падіння.

Як ф-ція кута падіннязначення | R |має систему максимумів та мінімумів (рис. 6, б). Якщо по обидва боки шару знаходиться та сама рідина, то в точках мінімуму R = 0. Нульове відображення виникає, коли набіг фази на товщині шару дорівнює цілій кількості напівперіодів

і хвилі, що виходять у верхнє середовище після двох послідовних перевідбиття, будуть знаходитися в протифазі і взаємно гасити один одного. Навпаки, в нижнє середовище всі перевідбиті хвилі виходять з тією ж фазою, і амплітуда минулої хвилі виявляється максимальною. При нормальному падінні хвилі на шар повне пропускання має місце, коли на товщині шару укладається ціле число напівхвиль: d =де п= 1,2,3,..., - Довжина звукової хвилі в матеріалі шару; тому шари, для яких брало виконано умова (8), зв. напівхвильовим. Співвідношення (8) збігається з умовою існування нормальної хвилі у вільному рідкому шарі. Внаслідок цього повне пропускання через шари виникає, коли падаюче випромінювання збуджує в шарі ту чи іншу нормальну хвилю. p align="justify"> За рахунок контакту шару з навколишньою рідиною нормальна хвиля є витікаючою: при своєму поширенні вона повністю перевипромінює енергію падаючого випромінювання в нижнє середовище.
Якщо рідини по різні боки від шару різні, наявність напівхвильового шару ніяк не позначається на хвилі, що падає: коеф. відбиття від шару дорівнює коеф. відбиття від кордону цих рідин при їх безпосередніх. контакт. Крім напівхвильових шарів в акустиці, як і оптиці, велике значення мають т. зв. чвертьхвильові шари, товщини яких задовольняють умові ( п= 1,2,...). Підбираючи відповідним чином акустич. Імпеданс шару, можна отримати нульове відображення від шару хвилі із заданою частотою fпри певному куті падіння її на шар. Такі шари використовуються як акустичні шари, що просвітлюють.
Для відображення звукової хвилі від нескінченної твердої пластини, зануреної в рідину, характер відображення, описаний вище рідкого шару, в загальних рисах збережеться. При перевідображення в пластині додатково до поздовжнім будуть також збуджуватися зсувні хвилі. Кути і, під якими поширюються відповідно поздовжні і поперечні хвилі в пластині, пов'язані з кутом падіння законом Снелля. Кут. та частотна залежності | R| являтимуть собою, як і у разі відбиття від рідкого шару, системи максимумів, що чергуються, і мінімумів. Повне пропускання через пластину виникає в тому випадку, коли падаюче випромінювання збуджує в ній одну з нормальних хвиль, що витікають Лемба хвилі. Резонансний характер О. з. від шару або пластини стирається у міру того, як зменшується відмінність їх акустич. властивостей від властивостей довкілля. Збільшення акустич. згасання у шарі також призводить до згладжування залежностей та | R(fd)|.

Відображення непоганих хвиль. Реально існують лише неплоські хвилі; їх відображення може бути зведено до відображення набору плоских хвиль. Монохроматич. хвилю з хвильовим фронтом довільної форми можна як сукупності плоских хвиль з однієї й тієї ж кругової частотою, але з разл. напрямки хвильового вектора k. основ. характеристикою падаючого випромінювання є його просторовий спектр - набір амплітуд A(k) плоских хвиль, що утворюють разом падаючу хвилю. Абс. величина k визначається частотою, тому його компоненти є незалежними. При відображенні від площини z = 0 нормальна компонента k zзадається тангенціальними компонентами k x , k y: k z =Кожна плоска хвиля, що входить до складу падаючого випромінювання, падає на межу розділу під своїм кутом і відбивається незалежно від інших хвиль. Поле Ф( r) відбитої хвилі виникає як суперпозиція всіх відбитих плоских хвиль і виражається через просторовий спектр падаючого випромінювання A(k x , k y) і коеф. відображення R(k x , k y):

Інтегрування поширюється на область скільки завгодно великих значень k xі k y. Якщо просторовий спектр падаючого випромінювання містить (як при відображенні сферич. хвилі) компоненти з k x(або k y), більшими, то у формуванні відбитої хвилі крім хвиль з дійсними k zберуть участь також неоднорідні хвилі, для яких брало k,- Суто уявна величина. Цей підхід, запропонований в 1919 р. Вейлем (Н. Weyl) і який отримав свій подальший розвиток в уявленнях фур'є-оптики, дає послідовність. опис відображення хвилі довільної форми від плоскої граші розділу
При розгляді О. з. можливий також променевий підхід, який заснований на принципах геометричної акустики. Падаюче випромінювання сприймається як сукупність променів, взаємодіючих із межею раздела. При цьому враховується, що промені, що падають, не тільки відбиваються і заломлюються звичайним чином, підкоряючись законам Снелля, але і що частина променів, що падають на поверхню розділу під певними кутами, збуджує т.з. бічні хвилі, а також поверхневі хвилі, що витікають (Релея та ін) або витікаючі хвилеводні моди (Лемба хвилі та ін). Поширюючись вздовж поверхні розділу, такі хвилі знову перевипромінюються в середу та беруть участь у формуванні відбитої хвилі. Для практики осн. значення має відображення сферич. хвиль, колімнованих акустпч. пучків кінцевого перерізу та фокусованих звукових пучків.

Відображення сферичних хвиль. Картина відображення сферич. хвилі, що створюється в рідині I точковим джерелом Про, залежить від співвідношення між швидкостями звуку з 1 та з 2 вдотичних рідин I і II (рис. 7). Якщо c t > з 2 то критич. кут відсутня і відображення відбувається за законами геом. акустики. У середовищі I виникає відбита сферич. хвиля: відбиті промені перетинаються в точці О". утворюючи уявне зображення джерела, а хвильовий фронт відбитої хвилі є частиною сфери з центром у точці О".

Мал. 7. Відображення сферичної хвилі на межі поділу двох рідин: Проі О"- дійсний та уявний джерела; 1 - фронт відбитої сферичної хвилі; 2 - фронт заломленої хвилі; 3 - фронт бічної хвилі.

Коли c 2 >c lі є критич. кут в середовищі I крім відбитої сферич. хвилі виникає ще один компонент відбитого випромінювання. Промені, що падають на межі розділу під критич. кутом збуджують у середовищі II хвилю, яка поширюється зі швидкістю з 2 вздовж поверхні - розділу та перевипромінюється в середу I, формуючи т.з. бічну хвилю. Її фронт утворюють точки, до яких брало в один і той же момент часу дійшли промені, що вийшли з точки Провздовж ОАі потім перейшли знову в середу I разл. точках кордону розділу від точки Адо точки З, в якій в цей момент знаходиться фронт заломленої хвилі. У площині креслення фронт бічної хвилі є прямолінійним відрізком СВ, нахилений до кордону під кутом і тягнеться до точки У, де він замикається з фронтом дзеркально відбитої сферич. хвилі. У просторі фронт бічної хвилі є поверхнею усіченого конуса, що виникає при обертанні відрізка СВнавколо прямої ГО". При відображенні сферич. хвилі в рідині від поверхні твердого тіла подібна до конич. хвиля утворюється рахунок порушення межі розділу витікаючої релеївської хвилі. Відображення сферич. хвиль - один з основних експериментів. методів геоакустики, сейсмології, гідроакустики та акустики океану

Відображення акустичних пучків кінцевого перерізу. Відображення колімованих звукових пучків, хвильовий фронт яких брало в осн. Частина пучка близька до плоского, відбувається для більшості кутів падіння так, ніби відбивається плоска хвиля. При відображенні пучка, що падає з рідини на межу розділу з твердим тілом, виникає відбитий пучок, форма якого є дзеркальним відображенням розподілу амплітуди в падаючому пучку. Однак при кутах падіння, близьких до поздовжнього критич. куті або релеєвському куті поряд із дзеркальним відображенням відбувається ефф. збудження бічної або ролеївської хвилі, що витікає. Поле відбитого пучка у разі є суперпозицією дзеркально відбитого пучка і перевипромінюваних хвиль. Залежно від ширини пучка, пружних і в'язких властивостей середовищ, що межують, виникає або латеральний (паралельний) зсув пучка в площині розділу (т. н. зміщення Шоха) (рис. 8), або суттєве розширення пучка і поява тонкої

Мал. 8. Латеральне зміщення пучка при відображенні: 1 - Падаючий пучок; 2 - дзеркально відбитий пучок; 3 - реально відбитий пучок.

структури. При падінні пучка під кутом Релея характер спотворень визначається співвідношенням між шириною пучка lта радіац. згасанням витікаючої релеївської хвилі

де - Довжина звукової хвилі в рідині, А- Чисельний множник, близький до одиниці. Якщо ширина пучка значно більша за довжину радіац. затухання відбувається лише зміщення пучка вздовж поверхні розділу на величину У разі вузького пучказа рахунок перевипромінювання поверхневої хвилі, що витікає, пучок істотно поширюється і перестає бути симетричним (рис. 9). Усередині області, зайнятої дзеркально відбитим пучком, внаслідок інтерференції виникає нульовий мінімум амплітуди і пучок розпадається на частини. Недзеркальне відображення колімірів. пучків виникає і межі двох рідин при кутах падіння, близьких до критичного, і навіть при відбитті пучків від шарів чи пластин.

Мал. 9. Відображення звукового пучка кінцевого перерізу, що падає з рідини на поверхню твердого тіла Т під кутом Релея: 1 - Падаючий пучок; 2 - Відбитий пучок; а- область нульової амплітуди; б- Область хвоста пучка.

В останньому випадку недзеркальний характер відображення обумовлений збудженням у шарі або пластині хвилеводних мод, що витікають. Істотну роль відіграють бічні хвилі і витікаючі при відображенні фокусованих УЗ-пучків. Зокрема, ці хвилі використовуються в мікроскопії акустичноїдля формування акустич. зображень та проведення кількостей, вимірювань.

Літ.: 1) Бреховських Л. М., Хвилі в шаруватих середовищах, 2 видавництва, М., 1973; 2) Ландау Л. Д., Ліфшиц Е. М., Гідродинаміка, 4 видавництва, М., 1988; 3) Бреховських Л. М., Годін О. А., Акустика шаруватих середовищ, М., 1989; 4) Саgniard 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, ch. 3; 6) Au1d B. A., Acoustic fields і waves in solids, v. 1 - 2, N. Y. - , 1973; 7) Вертоні H. L., Тамір Т., Unified theory Rayleigh-angle phenomena для акустичних композицій на liquid-solid interfaces, "Appl. Phys.", 1973, v. 2 №4, p. 157; 8) Mott G., Reflection and refraction coefficients at a fluid-solid interface, "J. Acoust. Soc. Amer.", 1971, v. 50 № 3 (pt 2), p. 819; 9) Вескер F. L., Riсhardson R. L., Вплив матеріалів матеріальних властивостей на Rayleigh critical-angle reflectivity, "J. Acoust. Soc. Amer.", 1972, v. 51. .V" 5 (pt 2), p. 1609; 10) Fiorito R., Ubera11 H., Resonance theory of acoustic reflection and transmission через fluid layer, ".I. Acoust. Soc. Amer.", 1979, v. 65, № 1, p. 9; 11) Fiorft про R., Madigоsky W., З bera 11 H., Resonance theory of acoustic waves interacting with an classic plate. "J. Acoust. Soc. Amer.", 1979, v. 66, № 6, p. 1857; 12) Neubauer W. G., Observation of acoustic radiation from plane and curved surfaces, в кн.: Physical acoustics. Principles and methods, ed. by W. P. Mason, ed. Thurston, v.10, N. Y. - L., 1973, ch.2.

Звуковий тиск р залежить від швидкості v частинок середовища, що коливаються. Обчислення показують, що

де р – щільність середовища, з – швидкість звукової хвилі в середовищі. Добуток рс називають питомим акустичним імпедансом, для плоскої хвилі його називають хвильовим опором.

Хвильовий опір - найважливіша характеристика середовища, що визначає умови відображення та заломлення хвиль на її кордоні.

Уявімо, що звукова хвиля потрапляє на межу розділу двох середовищ. Частина хвилі відбивається, а частина – заломлюється. Закони відбиття та заломлення звукової хвилі аналогічні Законам відбиття та заломлення світла. Заломлена хвиля може поглинутись у другому середовищі, а може вийти з неї.

Припустимо, що плоска хвиля падає нормально до межі розділу, інтенсивність її в першому середовищі I 1 інтенсивність заломленої хвилі в минулому середовищі 1 2 . Назвемо

коефіцієнтом проникнення звукової хвилі

Релей показав, що коефіцієнт проникнення звуку визначається формулою

оскільки з 1 ρ 1 /с 2 р 2 >>1. Наведемо хвильові опори деяких речовин за 20 °С (табл. 14).

Таблиця 14

Використовуємо (6.8) для обчислення коефіцієнта проникнення звукової хвилі з повітря в бетон та воду:

Ці дані справляють враження: виявляється, тільки дуже мала частина енергії звукової хвилі проходить з повітря бетон і воду.

У кожному закритому приміщенні відбитий від стін, стель, меблів звук падає інші стіни, підлоги тощо., знову відбивається і поглинається і поступово згасає. Тому навіть після того, як джерело звуку припинить дію, у приміщенні все ще є звукові хвилі, що створюють гул. Особливо це помітно у великих просторих залах. Процес поступового згасання звуку в закритих приміщеннях після вимкнення джерела називають реверберацією.

Реверберація, з одного боку, корисна, оскільки сприйняття звуку посилюється з допомогою енергії відбитої хвилі, але, з іншого боку, надмірно тривала реверберація може значно погіршити сприйняття мови, музики, оскільки кожна нова частина тексту перекривається попередніми. У зв'язку з цим зазвичай вказують деякий оптимальний час реверберації, який враховується при будівництві аудиторій, театральних і концертних залів і т.п. 55 с. Для цих приміщень (порожніх) час реверберації відповідно 4,55 та 2,06 с.

Фізика слуху

Розглянемо деякі питання фізики слуху з прикладу зовнішнього, середнього та внутрішнього вуха. Зовнішнє вухо складається з вушної раковини 1 і зовнішнього слухового проходу 2 (рис. 6.8). Вушна раковина у людини не відіграє істотної ролі для слуху. Вона сприяє визначенню локалізації джерела звуку при його розташуванні у передньо-задньому напрямку. Пояснимо це. Звук від джерела потрапляє у вушну раковину. Залежно від положення джерела у вертикальній площині

(рис. 6.9) звукові хвилі по-різному дифрагуватимуть на вушній раковині через її специфічну форму. Це призведе і до зміни спектрального складу звукової хвилі, що потрапляє в слуховий прохід (детальніше питання дифракції розглядаються в гл. 19). Людина в результаті досвіду навчилася асоціювати зміну спектра звукової хвилі з направленням на джерело звуку (напрямки А, Б та Б на рис. 6.9).

Маючи два звукоприймачі (вуха), людина і тварини здатні встановити напрямок на джерело звуку і в горизонтальній площині (бінауральний ефект; рис. 6.10). Це пояснюється тим, що звук від джерела до різних вух проходить різну відстань і виникає різниця фаз для хвиль, що потрапляють у праву та ліву вушні раковини. Зв'язок між різницею цих відстаней (5) та різницею фаз (∆φ) виведено в § 19.1 при поясненні інтерференції світла [див. (19.9)]. Якщо джерело звуку знаходиться прямо перед обличчям людини, то δ = 0 і ∆φ = 0, якщо джерело звуку розташоване збоку проти однієї з вушних раковин, то в іншу вушну раковину він потрапить із запізненням. Вважатимемо приблизно, що в цьому випадку 5 є відстань між вушними раковинами. За формулою (19.9) можна розрахувати для v = 1 кГц та δ = 0,15 м різниця фаз. Вона приблизно дорівнює 180 °.

Різним напрямам на джерело звуку в горизонтальній площині будуть відповідати різниці фаз між 0 і 180 (для наведених вище даних). Вважають, що людина з нормальним слухом може фіксувати напрями на джерело звуку з точністю до 3 °, цьому відповідає різниця фаз 6 °. Тому можна вважати, що людина здатна розрізняти зміну різниці фаз звукових хвиль, що потрапляють до її вух, з точністю до 6°.

вухо внаслідок дифракції (гл. 19).

Звукова хвиля проходить через слуховий прохід і частково відбивається від барабанної перетинки 3 (див. рис. 6.8). В результаті інтерференції падаючої та відбитої хвиль може виникнути акустичний резонанс. У цьому випадку довжина хвилі в чотири рази більша за довжину зовнішнього слухового проходу. Довжина слухового проходу у людини приблизно дорівнює 23 см; отже, акустичний резонанс виникає при частоті

Найбільш істотною частиною середнього вуха є барабанна перетинка 3 і слухові кісточки: молоточок 4, ковадло 5 і стремечко 6 з відповідними м'язами, сухожиллями та зв'язками. Кісточки здійснюють передачу механічних коливань від повітряного середовища зовнішнього вуха до рідкого внутрішнього середовища. Рідке середовище внутрішнього вуха має хвильовий опір, що дорівнює рівному хвильовому опору води. Як було показано (див. § 6.4), при прямому переході звукової хвилі з повітря у воду передається лише 0,123% падаючої інтенсивності. Це надто мало. Тому основне призначення середнього вуха - сприяти передачі внутрішньому вуху більшої інтенсивності звуку. Використовуючи технічну мову, можна сказати, що середнє вухо узгодить хвильові опори повітря та рідини внутрішнього вуха.

Система кісточок (див. рис. 6.8) на одному кінці молоточком пов'язана з барабанною перетинкою (площа S 1 = 64 мм 2), на іншому - стремінцем - з овальним вікном 7 внутрішнього вуха (площа S 2 = 3 мм 2).

На такому рівні збільшує середнє вухо передачу зовнішнього звукового тиску внутрішньому юшку.

Ще одна з функцій середнього вуха – ослаблення передачі коливань у разі звуку великої інтенсивності. Це здійснюється рефлекторним розслабленням м'язів кісточок середнього вуха.

Середнє вухо сполучається з атмосферою через слухову (євстахієву) трубу.

Зовнішнє та середнє вухо відносяться до звукопровідної системи. Звуковосприймаюча система є внутрішнє вухо.

Головною частиною внутрішнього вуха є равлик, що перетворює механічні коливання електричний сигнал. Крім равлика до внутрішнього вуха належить вестибулярний апарат (див. § 4.3), який до слухової функції не має відношення.

Равлик людини є кістковим утворенням завдовжки близько 35 мм і має форму конусоподібної спіралі з 23/4 завитків. Діаметр біля основи близько 9 мм, висота дорівнює приблизно 5 мм.

На рис. 6.8 равлик (обмежений штриховою лінією) показаний схематично розгорнутим для зручності розгляду. Уздовж равлика проходять три канали. Один з них, який починається від овального вікна 7, називається вестибулярними сходами 8. Інший канал йде від круглого вікна 9, він називається барабанними сходами 10. Вестибулярні і барабанні сходи з'єднані в області купола равлика за допомогою маленького отвору - гелікотреми 11. ці канали до певної міри представляють єдину систему, наповнену перилимфой. Коливання стремечка 6 передаються мембрані овального вікна 7, від неї перилимфе і «випинають» мембрану круглого вікна 9. Простір між вестибулярними та барабанними сходами називається равликовим каналом 12, він заповнений ендолімфою. Між равликовим каналом та барабанними сходами вздовж равлика проходить основна (базилярна) мембрана 13. На ній знаходиться кортієвий орган, що містить рецепторні (волоскові) клітини, від равлика йде слуховий нерв (на рис. 6.8 ці подробиці не показані).

Кортієвий орган (спіральний орган) і є перетворювачем механічних коливань в електричний сигнал.

Довжина основної мембрани близько 32 мм, вона розширюється і витончується у напрямку від овального вікна до верхівки равлика (від ширини 01 до 05 мм). Основна мембрана - дуже цікава для фізики структура, вона має частотно-виборчі властивості. На це звернув увагу ще Ґельмгольц, який

представляв основну мембрану аналогічно до ряду налаштованих струн піаніно. Лауреат Нобелівської премії Бекеші встановив хибність цієї резонаторної теорії. У роботах Бекеші було показано, що основна мембрана є неоднорідною лінією передачі механічного збудження. При дії акустичним стимулом основною мембраною поширюється хвиля. Залежно від частоти ця хвиля по-різному згасає. Чим менша частота, тим далі від овального вікна пошириться хвиля основною мембраною, перш ніж вона почне загасати. Так, наприклад, хвиля з частотою 300 Гц до початку згасання поширяться приблизно до 25 мм від овального вікна, а хвиля з частотою 100 Гц досягає максимуму близько 30 мм. З цих спостережень розробили теорії, за якими сприйняття висоти тону визначається положенням максимуму коливання основний мембрани. Таким чином, у внутрішньому вусі простежується певний функціональний ланцюг: коливання мембрани овального вікна - коливання перилімфи - складні коливання основної мембрани - складні коливання основної мембрни - подразнення волоскових клітин (рецептори кортієва органу) - генерація електричного сигналу.

Деякі форми глухоти пов'язані з ураженням рецепторного апарату равлика. У цьому випадку равлик не генерує електричні сигнали під впливом механічних коливань. Можна допомогти таким глухим, для цього необхідно імплантувати електроди в равлик і подавати на них електричні сигнали, які відповідають тим, що виникають при дії механічного стимулу.

Таке протезування основної функції, равлики (кохлеарне протезування) розробляється у низці країн. У Росії кохлеарне протезування розроблено та здійснено у Російському медичному університеті. Кохлеарний протез показано на рис. 6.12 тут 1 - основний корпус, 2 - завушина з мікрофоном, 3 - вилка електричного роз'єму для приєднання до імплантованих електродів.

Відображення звуку

Відображення звуку

Явище, що виникає при падінні звукової на межу розділу двох пружних середовищ і що складається у освіті хвиль, що поширюються від межі розділу в ту ж середу, розсіювання звуку або дифракція звуку.
Падаюча хвиля викликає межірозділу середовищ, в результаті якого виникають відбиті і заломленіхвилі. Їх структура і інтенсивність повинні бути такими, щоб по обидві сторони від межі розділу швидкості частинок і пружні напруги, що діють на межу розділу, були рівні. Граничні умови на вільній поверхні полягають у рівності нулю пружних напруг, що діють на цю.
Відбиті хвилі можуть збігатися за типом поляризації з падаючою хвилею, а можуть мати та ін поляризацію. В останньому випадку говорять про перетворення, або конверсії, мод при відображенні або заломленні. Відображення плоских хвиль. Особливу роль грає відбиток плоских хвиль, оскільки плоскі хвилі, відбиваючись і заломлюючись, залишаються плоскими, а довільної форми можна розглядати як відбиток сукупності плоских хвиль. Кількість виникаючих відбитих і заломлених хвиль визначається характером пружних властивостей середовищ і числом акустич. гілок, що існують у них. З огляду на граничних умов проекції на площину розділу хвильових векторів падаючої, відбитих і переломлених хвиль рівні між собою (рис. 1).

Мал. 1. Схема відображення та заломлення плойної звукової хвилі на плоскій межі розділу.

Звідси випливають закони відображення та заломлення, i , відбитих rта заломлених k tхвиль і нормаль NN"до межі розділу лежать в одній площині (площині падіння); 2) відносини синусів кутів падіння відображення і заломлення до фазових швидкостей c i,і відповідних хвиль рівні між собою:
(Індекси і позначають поляризації відбитих і заломлених хвиль). В ізотропних середовищах, де напрямки хвильових векторів збігаються з напрямками звукових променів, закони відбиття і заломлення приймають звичну форму закону Снелля. В анізотропних середовищах закони відображення визначають лише напрямки хвильових нормалей; як будуть поширюватися заломлені або відбиті промені, залежить від напрямку променевих швидкостей, що відповідають цим нормалям.
При досить малих кутах падіння всевідбиті і заломлені хвилі є плоскими хвилями, що несуть енергію падаючого випромінювання від межі розділу. Однак якщо для к.-л. заломленої хвилі більшої швидкості c iпадаючої хвилі, то для кутів падіння, великихт. н. критич. кута = arcsin, нормальна компонента хвильового вектора відповідної заломленої хвилі стає уявною, 2. Однак падіння хвилі на межу розділу під кутом, великим критичного, може і не приводити до повного відображення, оскільки падаючого випромінювання може проникати у 2-у середу у вигляді хвиль іншої поляризації.
Критич. кут існує і для відбитих хвиль, якщо при О. з. відбувається конверсія мод і хвилі, що виникає в результаті конверсії, більше швидкості c iпадаючої хвилі. Для кутів падіння, менших критич. кута частина падаючої енергії відноситься від кордону у вигляді відбитої хвилі з поляризацією ;при така хвилявиявляється неоднорідною, що загасає в глиб середовища 1, і не бере участіу переносі енергії від кордону розділу. наприклад, критич. кут = arcsin( cт/c L) виникає при відображенні поперечної акустич. хвилі Твід кордону ізотропного твердого тіла і конверсії в поздовжню хвилю L (зт і C L -швидкості поперечної та поздовжньої звукової хвилі відповідно).
Амплітуди відбитих і заломлених хвиль відповідно до граничних умов лінійним чином виражаються через амплітуду А іпадаючої хвилі, подібно до того, як ці величини в оптиці виражаються через амплітуду падаючої ел.-магн. хвилі за допомогою Френель формул.Відображення плоскої хвилі кількіснохарактеризується амплітудними коефами. відбиття, що являють собою відношення амплітуд відбитих хвиль до амплітуди падаючої: = Амплітудні коеф. Відбитки у випадку комплексні: їх модулі визначають відносини абс. значенні амплітуд, а фази задають фазові зрушення відбитих хвиль. Аналогічно визначаються і амплітудні коеф. проходження Перерозподіл енергії падаючого випромінювання між відбитими і заломленими хвилями характеризується коеф. відображення та проходження по інтенсивності, що являють собою відношення нормальних до межі розділу компонент середніх за часом щільностей потоків енергії в відбитій (заломленій) і в хвилях, що падає:

де - інтенсивності звуку у відповідних хвилях,і -щільності дотичних середовищ. Баланс енергії, що підводиться до межі розділу і від неї, зводиться до балансу нормальних компонент потоків енергії:

Коеф. Відбиття залежать як від акустич. . Характер кут. залежність визначається наявністю критич. кутів, а також кутів нульового відображення, при падінні під якими відбита хвиля з поляризацією не утворюється.

О. з. на межі двох рідин. наиб. проста картина О. з. виникає на межі поділу дворідин. Конверсія хвиль при цьому відсутня, і відображення відбувається за дзеркальним законом, а коеф. відображення дорівнює

де і c 1,2 - щільності та швидкості звуку в середовищах, що межують . і 2. Якщо швидкість звуку для падаючої хвилі більша за швидкість звуку для заломленої ( з 1 c 2), то критич. кут відсутня.

при нормальному падінні хвилі на кордонрозділу до значення R = - 1 при ковзному падінні Якщо акустич. r 2 з 2 середовища 2 більше імпедансу середовища 1 , то при вугіллі падіння

коеф. відображення перетворюється на нуль і всепадаюче повністю проходить у середу 2.
Коли з 1<с 2 ,возникает критический угол =arcsin(c 1 /c 2). При<коэф. отражения - действительная величина; фазовый между падающейи отражённой волнами отсутствует. Величина коэф. отражения меняется отзначения R 0при нормальному падінні до R = 1 привугле падіння, рівному критичному. Нульове відображення і в цьому випадку може мати місце, якщо для акустич. імпедансів середовищ виконується зворотна нерівність кут нульового відображення, як і раніше, визначається виразом (6). Для угловпадения, великих критичного, має місце повне внутр. відображення: і падаюче випромінювання в глибину середовища 2 не проникає. У середовищі 2, однак, поле відбитої хвилі формується в результаті інтерференції двох полів: дзеркально відбитої хвилі та хвилі, 1 неоднорідною хвилею, що виникла в середовищі 2. При відображенні непоганих (напр., сферичних) хвиль така перевипромінювана хвиля спостерігається реально в експерименті у вигляді т.з. бічній хвилі (див. Хвилі,розділВідображення та ).

О. з. від кордону твердого тіла. Характер відображення ускладнюється, якщо відбивачем є тверде тіло. Коли зв рідині менше швидкостейподовжнього з Lта поперечного зт звукавши твердому тілі, при відображенні на межі рідини з твердим тілом виникають два критич. кута: поздовжній = arcsin ( с/с L)і поперечний = arcsin ( с/ст ). При цьому, оскільки завжди з L > зт . При кутах падіння коеф. відображення дійсний (рис. 2). Падаюче випромінювання проникає в твердотіло у вигляді поздовжньої, так і поперечної заломлених хвиль. При нормальному падінні звуку в твердому тілі виникає тільки значення R 0 визначається ставленням поздовжніх акустич. імпедансів рідини та твердого тіла аналогічно ф-ле (5) (- щільності рідини та твердого тіла).

Мал. 2. Залежність модуля коефіцієнта відображення звуку | R | (суцільна лінія) та його фази (штрих-пунктирна лінія) на межі рідини та твердого тіла від кута падіння .

При коеф. і частина падаючого випромінювання проникає в глиб твердого тіла у вигляді заломленої поперечної хвилі. Тому для<<величина лишь при поперечная волна не образуется и |R |= 1. Участь неоднорідної поздовжньої хвилі у формуванні відбитого випромінювання зумовлює, як і кордонів двох рідин, фазовий зрушення у відбитої хвилі. При має місце повне внутр. відображення:1. У твердому тілі поблизу кордону утворюються лише неоднорідні хвилі, що експоненційно спадають вглиб тіла. Фазовий зсув у відбитої хвилі для кутів пов'язаний в основному з збудженням на межі розділу, що витікає Релеяхвилі.Така хвиля виникає на межі твердого тіла з рідиною при кутах падіння, близьких до кута Релея = arcsin ( с/с R),де C R -швидкість хвилі Релея на поверхні твердого тіла. Поширюючись вздовж поверхні розділу, хвиля, що витікає, повністю перевипромінюється в .
Якщо ззт . топовне внутр. відображення на межі рідини з твердим тілом відсутнє: падаюче випромінювання проникає в будь-якому куті падіння, принаймні у вигляді поперечної хвилі. Повне відображення виникає при падінні звукової хвилі під критич. кутом або при ковзному падінні. При c>c L коеф. відображення дійсний, О. з., що поширюється у твердому тілі. У разі поширення звуку в ізотропному твердому тілі наиб. простийхарактер носить відображення зсувних хвиль, напрям коливань в яких бралопаралельно площині розділу. Конверсія мод при відображенні або заломленні таких хвиль відсутня. При падінні на вільний кордон або кордон розділена рідиною така хвиля відображається повністю ( R = 1) згідно із законом дзеркального відображення. На межі поділу двох ізотропних твердих тіл поряд із дзеркальновідбитою хвилею в середовищі 2 утворюється заломлена хвиля з поляризацією, При падінні поперечної хвилі, поляризованої в площині падіння, на вільну поверхню тіла, на межі виникає як відбита тієї ж поляризації, так і поздовжня хвиля. ,менших критичного кута = = arcsin ( c T /c L),коеф. відображення R T і R L -суто дійсні: відбиті хвилі йдуть від кордону точно в фазі (або в протифазі) з падаючою хвилею. При відмежування йде лише дзеркально відбита поперечна хвиля; поблизу вільної поверхні утворюється неоднорідна поздовжня хвиля.
Коеф. Відбиття стає комплексним, Якщо межа твердого тіла знаходиться в контакті з рідиною, то при відображенні хвиль (поздовжньої або поперечної, 2. Її також лежить в площині падіння.

Про . з. на межі розділу анізотропних середовищ. О. з. межі розділу кристаллич. середовищ носить складний характер. і відбитих і заломлених хвиль у разі самі є ф-циями кутів відбиття і заломлення (див. Кристалоакустика);тому навіть визначення кутів і за заданим кутом падіння стикається із серйозними матем. труднощами. Якщо відомі перерізи поверхоньхвильових векторів площиною падіння, використовується графич. метод визначення кутів та кінціхвильових векторів k rі k tлежать на перпендикулярі NN",проведеному до межі розділу через кінець хвильового вектора k iпадаючої хвилі, в точках, де цей перпендикуляр перетинає разл. порожнини поверхонь хвильових векторів (рис. 3). Кількість відбитих (або заломлених) хвиль, що реально розповсюджуються від кордону розділу в глиб відповідного середовища, визначається тим, зі скільки полостями перетинається перпендикуляр NN". Якщо перетин з к.-л. порожниною відсутня, це означає, що хвиля відповідної поляризації виявляється неоднорідною і енергію від кордону не переносить. Перпендикуляр NN"можеперетинати ту саму порожнину в дек. точках (точки a 1 та а 2на рис. 3). З можливих положень хвильового вектора k r (або k t)реальноспостережуваним хвиль відповідають лише ті, для яких брало вектор променевої швидкості,

Мал. 3. Графічний метод визначення кутовідтворення та заломлення на межі розділу кристалічних середовищ 1 і 2.L, FTі ST- Поверхні хвильових векторів для квазіподовжніх, Як правило, відбиті (заломлені)хвилі належать разл. гілки акустич. коливання. Однак у кристалахсо значить. анізотропією, коли поверхня хвильових векторів має увігнуті ділянки (рис. 4), можливе відображення з утворенням двох відбитих або заломлених хвиль, що належать до однієї й тієї ж гілки коливань.
На досвіді спостерігаються кінцеві пучки звукових хвиль, напрями поширення яких брало визначаються променевими швидкостями. NN" до межі розділу. Зокрема, відбитий може лежати в площині падіння по ту ж сторону від нормалі N,що і падаючий промінь. Граничним випадком такої можливості є накладення відбитого пучка на падаючий похилому падінні останнього.

Мал. 4. Відображення акустичної хвилі, що падає на вільну поверхню кристала з утворенням двох відбитих хвилею ж поляризації: а- Визначення хвильових векторів відбитих хвиль (з g- Вектори променевої швидкості); б- схема відображення звукових пучків кінцевого перерізу.

Вплив загасання характер О. з.. Коеф. відображення та проходження не залежать від частоти звуку, якщо згасання звуку в обох граничних середовищах зневажливо мало. Помітне згасання призводить не тільки до частотної залежності коеф. відображення R,а й спотворюваного його залежність від кута падіння, особливо поблизу критич. кутів (рис.5, а). При відображенні від межі розділу рідини з твердим тіломефекти згасання суттєво змінюють кутову залежність. Rпри кутах падіння, близьких до релеївського кута (рис. 5, б).На межі середовищ з незначним згасанням при таких кутах падіння має місце і | R|= 1 (крива 1 на рис. 5, б).Наявність згасання призводить до того, що | R|стає менше 1, а поблизу утворюється мінімум | R|(криві 2 - 4). У міру збільшення частоти та відповідного зростання коеф. згасання глибина мінімуму збільшується, f 0 , зв. частотою нульового відображення, хв. значення | R|не обернеться в нуль (крива 3, рис.5, б). Подальше зростання частоти призводить до розширення мінімуму (крива 4 ) Вплив ефектів згасання на О. з. практично для будь-яких кутів падіння (крива 5). Зменшення амплітуди відбитої хвилі в порівнянні самплітудою падаючої не означає, що падаюче випромінювання проникає в твердотіло. Воно пов'язане з поглинанням витікаючої хвилі Релея, яка збуджується падаючим випромінюванням і бере участь у формуванні відбитої хвилі. Колизвукова частота fдорівнює частоті f 0 , вся енергія падаючої хвилі дисипується на межі розділу.

Мал. 5. Кутова залежність | R|на кордоні вода - сталь з урахуванням згасання: а- загальний характер кутової залежності | R|; суцільна лінія - без урахування втрат, штрихова лінія-те ж з урахуванням згасання; б- Кутова залежність | Rпоблизу релеєвського кута при різних значеннях поглинання поперечних хвиль у сталі на довжині хвилі. Криві 1 - 5 відповідають збільшення цього параметра від значення 3 x 10 -4 (крива 1 )до значення = 1 (крива 5) рахунок відповідного зростання частоти падаючого УЗ-випромінювання.

О. з. від шарів та пластин.О. з. від шару чи пластини носить резонансний характер. Відбита і минула хвилі формуються в результаті багаторазових перевідбиття хвиль на межах шару. У разі рідкого шару падаюча хвиля проникає в шар під кутом заломлення, що визначається із закону Снелля. За рахунок перевідбиття в самому шарі виникають поздовжні хвилі, що поширюються в прямому і зворотному напрямках під кутом до нормалі, проведеної до кордонів шару (рис. 6, а). Кут являє собою кут заломлення, що відповідає куту падіння на межу шару. Якщо швидкість звуку у шарі з 2 більшої швидкості звуку з 1 у навколишньої рідини, то системаперевідбитих хвиль виникає лише тоді, коли менше кута повного всередину. Відбиття = arcsin (c 1 /c 2). Однак для досить тонких шарів минула хвиля утворюється і при кутах падіння, великих критичного. У цьому випадку коеф. відбиття від шару виявляється за абс. величині менше1. Це пов'язано з тим, що при шарі поблизу тієї його межі, на яку падає ззовні хвиля, виникає неоднорідна хвиля, експоненційно спадаюча в глиб шару. Якщо товщина шару dменше або порівнянна з глибиною проникнення неоднорідної хвилі, то остання обурює протилежну межу шару, внаслідок чого з неї випромінюється в навколишню рідину минула хвиля. Це явище просочування хвилі аналогопросочування частки через квантової механіки.
Коеф. відбиття від шару

де - нормальна компонента хвильового вектора у шарі, вісь z -перпендикулярна межам шару, R 1 та R 2 – коеф. О. з. є періодич. ф-цію звукової частоти fі товщини шару d.При коли має місце просочування хвилі через шар, | R |при збільшенні fабо dмонотонно прагне 1.

Мал. 6. Відображення звукової хвилі від рідкого шару: а -схема відбиття; 1 - навколишня рідина; 2- шар; б - залежність модуля коефіцієнта відбиття | R |отугла падіння.

Як ф-ція кута падіння значення | R |має систему максимумів та мінімумів (рис. 6, б).Якщо по обидві сторони шару знаходиться та сама рідина, то в точках мінімуму R= 0. Нульове відбиття виникає, коли набіг фази на товщині шарований до цілого числа напівперіодів

і хвилі, що виходять у верхнє середовище наступних послідовних відбитків, будуть знаходитися в протифазі і взаємно гасити один одного. Навпаки, в нижнє середовище всі перевідбиті хвилі виходять з однією і тією ж фазою, і амплітуда минулої хвилі виявляється максимальною. пропускання має місце, колина товщині шару укладається ціле число напівхвиль: d =де . =1,2,3,...,- довжина звукової хвилі у матеріалі шару; тому шари, для яких брало виконано умова (8), зв. напівхвильовим. Співвідношення (8) збігається з умовою існування нормальної хвилі у вільному рідкому шарі. Внаслідок цього повне пропускання через шари виникає, коли падаюче випромінювання збуджує в шарі ту чи іншу нормальну хвилю. За рахунок контакту шару з навколишньою рідиною нормальна хвиля є витікаючою: при своєму поширенні вона повністю перевипромінює енергію падаючого випромінювання в нижнє середовище.
Коли рідини по різні боки від шару різні, наявність напівхвильового шару ніяк не позначається на хвилі, що падає: коеф. відбиття від шару дорівнює коеф. відбиття від кордону цих рідин при їх безпосередніх. контакт. Крім напівхвильових шарів в акустиці, які в оптиці, велике значення мають т.з. чвертьхвильові шари, товщини-рих задовольняють умові ( п= 1,2,...).Підбираючи відповідним чином акустич. Імпеданс шару, можна отримати нульове відображення від шару хвилі із заданою частотою fпри певному куті падіння її на шар. Такі шари використовуються як просвітляючі акустичні шари.
Для відображення звукової хвилі від нескінченної твердої пластини, зануреної в рідину, характер відображення, описаний вище для рідкого шару, загалом збережеться. При перевідображеннях в пластині додатково до поздовжнім будуть також збуджуватися зсувні хвилі. Кути і, під якими поширюються відповідно поздовжні і поперечні хвилі в пластині, пов'язані з кутом падіння законом Снелля. Кут. та частотна залежності| R| будуть являти собою, як і у разі відображення від рідкого шару, системи максимумів, що чергуються, і мінімумів. Повне пропускання через пластину виникає в тому випадку, коли падаюче випромінювання збуджує в ній одну з нормальних хвиль, що витікають Лемба хвилі.Резонансний характер О. з. від шару або пластини стирається у міру того, як зменшується відмінність їх акустич. властивостей від властивостей довкілля. Збільшення акустич. та | R(fd)|.

Відображення непоганих хвиль. Реально існують лише неплоські хвилі; їх відображення може бути зведено до відображення набору плоских хвиль. Монохроматич. хвилю з хвильовим фронтом довільної форми можна представити у вигляді сукупності плоских хвиль з однією і тією ж круговою частотою, але з разл. напрямки хвильового вектора k. основ. характеристикою падаючого випромінювання є його просторовий - набір амплітуд A(k) плоских хвиль, що утворюють разом падаючу хвилю. Абс. величина k визначається частотою, тому його не є незалежними. При відображенні від площини z= 0 нормальна компонента k zзадається тангенціальними компонентами k x , k y: k z=Кожна , що входить до складу падаючого випромінювання, падає на межу розділу під своїм кутом і відбивається незалежно від інших хвиль. Поле Ф( r) відбитої хвилі виникає як суперпозиція всіх відбитих плоских хвиль і виражається через просторовий спектр падаючого випромінювання A(k x , k y) ікоеф. відображення R(k x , k y):

Інтегрування поширюється на область скільки завгодно великих значень k xі k y.Якщо просторовий спектр падаючого випромінювання містить (як при відображенні сферич. хвилі) компоненти з k x(або k y),великими ,то у формуванні відбитої хвилі крім хвиль з дійсними k zберуть участь також неоднорідні хвилі, для яких брало k, -чистомніма величина. Цей підхід, запропонований в 1919 р. Вейлем (Н. Weyl) і отримав свій подальший розвиток в уявленнях фур'є-оптики, дає послідовний. опис відображення хвилі довільної форми від плоскої граші розділу.
При розгляді О. з. можливий також променевий підхід, який заснований на принципах геометричні акустики.Падаюче випромінювання розглядається як сукупність променів, що взаємодіють з кордоном розділу. При цьому враховується, що промені, що падають, не тільки відбиваються і переломлюються звичайним чином, підкоряючись законам Снелля, але і що частина променів, що падають на поверхню розділу під певними кутами, збуджує. н. бічні хвилі, а також витікаючі (Релея та ін) або витікаючі хвилеводні (Лемба хвилі та ін). Поширюючись вздовж поверхні розділу, такі хвилі знову перевипромінюються в середу і беруть участь у формуванні відбитої хвилі. Для практики осн. значення має відображеннясферич. хвиль, колімнованих акустпч. пучків кінцевого перерізу та фокусованих звукових пучків.

Відображення сферичних хвиль. Картина відображення сферич. хвилі, створюваної в рідині I точковим джерелом О,залежить від співвідношення між швидкостями звуку з 1 та з 2 вдотичних рідин I і II (рис. 7). Якщо c t > з 2 то критич. кут відсутня і відображення відбувається за законами геом. акустики. У середовищі I виникає відбита сферич. О". утворюючи уявне зображення джерела, а відбитої хвилі є частиною сфери з центром у точці Про".

Мал. 7. Відображення сферичної хвилі на межі розділу двох рідин: Проі О" -дійсний уявний джерела; 1 - фронт відбитої сферичної хвилі; 2 - фронт заломленої хвилі; 3 - фронт бокової хвилі.

Коли з 2 lіє критич. кут в середовищі I крім відбитої сферич. хвилі виникає ще одна компонента відбитого випромінювання. Промені, що падають на межі розділу під критич. кутом збуджують у середовищі II хвилю, яка поширюється зі швидкістю з 2 вздовж поверхні - розділу та перевипромінюється в середу I, формуючи т.з. Про вздовж ОАі потім перейшли знову в середу I в разл. точках кордону розділу від точки . доточки З,до якої в цей момент знаходиться фронт заломленої хвилі. СВ, нахилений до кордону під кутом і тягнеться до точки В,де він змикається з фронтом дзеркальновідбитої сферич. хвилі. У просторі фронт бічної хвилі являє собою поверхню усіченого конуса, що виникає при обертанні відрізка СВнавколопрямий ГО".При відображенні сферич. хвилі в рідині від поверхні твердого тіла подібна до конич. хвиля утворюється рахунок порушення на межі розділу витікаючої релеївської хвилі. Відображення сферич. хвиль - один з основних експериментів. методів геоакустики, сейсмології, гідроакустики та акустики океану.

Відображення акустичних пучків кінцевого перетину. Відображення колімованих звукових пучків, хвильовий фронт яких брало в осн. частини пучка близький до плоского, відбувається для більшості кутів падіння так, ніби відбивається плоска хвиля. При відбитку пучка, чи релеевскому кутку поруч із дзеркальним відображенням відбувається ефф. бічний чи витікаючої ролеївської хвилі. Поле відбитого пучка у разі є суперпозицією дзеркально відбитого пучка і перевипромінюваних хвиль. Залежно від ширини пучка, пружних і в'язких властивостей середовищ, що межують, виникає або латеральний (паралельний) зсув пучка в площині розділу (т. н. зміщення Шоха) (рис. 8), або суттєве розширення пучка і поява тонкої

Мал. 8. Латеральне зміщення пучка при відображенні: 1 - падаючий пучок; 2 - дзеркально відбитий пучок; 3- реально відбитий пучок.

структури. При падінні пучка під кутом Релея характер спотворень визначається співвідношенням між шириною пучка . ірадіац. згасанням витікаючої релеївської хвилі

де - Довжина звукової хвилі в рідині, А -числовий множник, близький до одиниці. Якщо ширина пучка значно більша за довжину радіац. загасання відбувається лише зміщення пучка вздовж поверхні розділу на величину У разі вузького пучка за рахунок перевипромінювання поверхневої хвилі, що витікає, пучок істотно поширюється і перестає бути симетричним (рис. 9). Усередині області, зайнятої дзеркальновідбитим пучком, в результаті інтерференції виникає нульовий мінімум амплітуди і пучок розпадається на дві частини. Недзеркальне відображення колімірів.

Мал. 9. Відображення звукового пучка кінцевого перетину, що падає з рідини Ж на поверхню твердого тіла Т під кутом Релея: 1 - Падаючий пучок; 2 - відбитий пучок; а -областьнульової амплітуди; б- Область хвоста пучка.

В останньому випадку недзеркальний характер відбиття обумовлений збудженням у шарі або пластині витікаючих хвилеводних мод. Істотну роль відіграють бічні і витікаючі хвилі при відображенні фокусованих УЗ-пучків. Зокрема, ці хвилі використовуються в мікроскопії акустичноїдля формування акустич. зображень та проведення кількостей, Літ.: 1) Бреховських Л. М., Хвиль в шаруватих середовищах, 2 видавництва, М., 1973; 2) Ландау Л. Д., Ліфшиц Е. М., Гідродинаміка, 4 видавництва, М., 1988; 3) Бреховських Л. М., Годін О. А., Акустика шаруватих середовищ, В. М. Левін.

Фізична енциклопедія. У 5-ти томах. - М: Радянська енциклопедія. Головний редактор А. М. Прохоров. 1988 .

По УМК та ін.

Глава 2: Звукові явища

Тема:

Тип уроку: комбінований

Мета уроку: вивчення характеристик звуку та явища відображення звуку

Мета уроку (учні): придбання знань про характеристики звуку та відображення звуку

Завдання уроку: - формувати знання про фізичні (амплітуда, частота) та фізіологічні (висота, гучність, тембр) характеристики звуку;

Розвивати особистісні, регулятивні, комунікативні, універсальні навчальні дії;

Виховувати пізнавальний інтерес, допитливість, позитивну мотивацію до навчання.

Карта забезпеченості уроку

Заплановані метапредметні результати:

Подавати інформацію у словесній, графічній формі.

Наведіть приклади різних звуків. Вкажіть джерело звуку у кожному випадку.

Як утворюється звукова хвиля?

Що вам відомо про швидкість звукових хвиль у різних середовищах?

Чому швидкість звуку у воді більша, ніж у повітрі?

Пізнавальна діяльність: систематизація та узагальнення знань про звукові явища, джерела звуку, поширення та швидкість звуку

Регулятивна діяльність: контроль самого себе та своїх однокласників у процесі відтворення та корекції опорних знань

3. Актуалізація знань

Вчитель. Людина живе у світі звуків. Ми чуємо голоси людей, співи птахів, звуки музичних інструментів, шум лісу, звук працюючих машин. Що спільного між цими звуками та чим вони відрізняються?

Учень.Загальним є те, що всі звуки видаються тілами, що коливаються (голосові зв'язки людини, птиці, струни музичних інструментів, гілки дерев і т. д.), а відрізнятися ці звуки можуть, наприклад, своєю гучністю.

Вчитель.Як ви вважаєте, від чого залежить гучність звуку? Чим вона визначається? Чи хотіли б ви дізнатися відповідь на це запитання? Дуже добре. Ми відповімо на питання, що цікавить нас, вивчивши характеристики звуку. Запишіть тему уроку “Гучність та висота звуку”. Відображення звуку”. Сьогодні ми познайомимося з фізичними та фізіологічними характеристиками звуку, навчимося відрізняти низькі звуки від високих, гучні від тихих, дізнаємося, що таке тембр, а також вивчимо закон відображення звукових хвиль.

4 етап. Вивчення нового навчального матеріалу

4.1. Створення та вирішення проблемної ситуації шляхом експерименту. Актуалізація суб'єктного досвіду

Вчитель.Чи з'ясуємо, від чого залежить гучність звуку? Проведемо наступний експеримент.

Демонстрація. Вдаримо молоточком по ніжці камертону. Піднесемо бусинку на нитки до камертону, що звучить. Що ми спостерігаємо та чому?

Учень. Намистинка відскакує від камертону, тому що камертон видає звук, отже, ніжка камертону коливається.

Вчитель. Як ви вважаєте, чи зміниться видалення бусинки від камертону, якщо я вдарю сильніше?

Учень. Я думаю, чим сильніше вдаримо по камертону, тим сильніше (більше) відхилятиметься бусинка.

Вчитель.Перевіримо наше припущення. (Демонстрація) Чим відрізняються при цьому звуки камертонів?

Учень.Камертони видають різні звуки. Чим сильніше вдаримо по камертону, тим з більшою амплітудою коливатиметься ніжка камертону, отже, голосніше буде звук.

Вчитель. Залежність гучності звуку від амплітуди коливань можна наочно продемонструвати за допомогою камертону з пером (рис. 137)

Графічно цю залежність можна подати у такому вигляді:

Вчитель.Гучність звуку – це перша фізіологічна характеристика звуку, яка визначається амплітудою коливань джерела звуку. Переходимо до 2 частини нашого досвіду. На демонстраційному столі знаходяться два камертони. У чому їхня зовнішня відмінність?

Учень: Вони різного розміру, у них різна маса

Вчитель.Демонстрації. Пропоную продемонструвати звучання цих камертонів та прокоментувати результат.

Учень.Ці камертони видають різні звуки. Один – низький, інший – високий. Я думаю, що це пов'язано з їхньою масою. При однаковій силі удару ніжки камертону коливатимуться із різною частотою.

Вчитель. Щоб перевірити це припущення, запишемо коливання камертонів на закопченій пластині. Перший камертон має меншу частоту і видає низький звук, другий камертон видає більш високий звук, отже чим більше частота коливань, тим вище звук.

Графічно це можна так:

Отже, висота звуку – друга фізіологічна характеристика, що визначається частотою коливань.

Ми ніколи не сплутаємо з вами звук труби зі звуком фортепіано. Голос своєї мами ми дізнаємось із тисячі голосів. Розрізняти одні звуки від інших допомагає тембр звуку.

Тембр- Індивідуальна особливість складної звукової хвилі, він обумовлений тим, що звук складається з ряду простих звуків різних частот, тобто має певне «забарвлення», це якість звуку і називають тембром. Це ще одна фізіологічна характеристика звуку.

А зараз спробуйте назвати, які музичні інструменти звучать? (Запис на комп'ютері)

(Відповіді учнів)

Вчитель.Гучність, висоту та тембрназивають фізіологічними характеристиками звуку оскільки вони пов'язані з нашим сприйняттям. Фізіологічні характеристики звуку пов'язані з фізичними, які дозволяють відрізняти гучні звуки від тихих, високі від низьких, звуки від джерел. Які бувають фізичні характеристики звуку?

Учень.Фізичні характеристики звуку амплітуда та частота.

Вчитель. А тепер познайомимося з однією з основних властивостей звукових хвиль. Звукова хвиля, як і будь-яка інша, може відбиватися і переломлюватися. Відображення хвильвід перешкод належить до дуже поширених явищ. Цей закон відображення є загальним хвильовим законом, тобто він справедливий для будь-яких хвиль, у тому числі і для звукових, і світлових. Відображення хвиль від екрана пронаблюдаем на досвіді (досвід з рис. 141) Досвід і спостереження показують, що відбиток звуку підпорядковане певному закону: кут падіння дорівнює куту отражения.

Вчитель.Виконаємо графічну інтерпретацію досвіду на дошці та зробимо висновок про співвідношення між кутом падіння та відображення

Учень. Кут відображення дорівнює куту падіння.

Вчитель.При поширенні звукових хвиль можна спостерігати таке явище як відлуння. Воно пояснюється властивістю відбиття хвиль від перешкоди.

У лісі, у горах, у приміщеннях можна іноді чути віддзеркалення звуку від якоїсь перешкоди (ліс, гори, стіна). Якщо до нас доходять звукові хвилі, що послідовно відбилися від ряду перешкод, то виходить багаторазовелуна. Розкати грому мають таке ж походження! Це багаторазове повторення дуже сильного «тріску» величезної електричної іскри блискавки.

На властивості відбиття звуку заснована ехолокація

За допомогою ехолокації деякі тварини визначають відстані. Наприклад, дельфіни, використовуючи ехолокацію, з великою точністю визначають рельєф дна та місце розташування своїх побратимів або видобутку. Інфразвук, що посилається кажаном, відбивається від потенційного видобутку і уловлюється мишею. За польотом звукового сигналу миша дуже точно визначає відстань до предмета.

Ехолоти – спеціальні прилади визначення глибини моря – теж використовують явище відображення звуку. Глибина моря іноді перевищує 10 км, і звичайним лотом (вантажем, прив'язаним до мотузки) виміряти таку глибину неможливо. Ехолот видає сильний і короткий звуковий сигнал, а потім ловить відбиту від морського дна луну.

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

4.2. Самостійна робота учнів.

Продовжуючи розвиток теми та засвоєння нових знань учням пропонується самостійно вивчити матеріал, який знаходиться у них на столах.

Вчитель.Вивчіть додатковий матеріал, розгляньте малюнки, дайте відповідь на запитання та проведіть взаємоперевірку

1) Які причини зниження слуху?

2) Які норми, що визначають гучність звуку за Санпін?

3) Розгляньте картинку. На скільки децибелів гучність дискотеки перевищує ці норми?

Звуки, що сприймаються людським вухом, є одним із найважливіших джерел інформації про навколишній світ. Вухо – один з найскладніших і найтонших органів, воно сприймає і дуже слабкі, і дуже сильні звуки. Орган слуху завжди «не спить» навіть уночі, уві сні він постійно піддається зовнішнім подразникам, тому що не має ніяких захисних пристроїв, подібних, наприклад, з віками, що охороняють очі від світла. Тому вухо людини треба берегти не лише від механічних ушкоджень, а й від гучних звуків!

Сучасний шумовий дискомфорт викликає у живих організмів болючі реакції. Шум від пролітаючого реактивного літака, наприклад, пригнічує на бджолу, вона втрачає здатність орієнтуватися. Цей же шум вбиває личинки бджіл, розбиває яйця птахів, що відкрито лежать, у гніздах. При дії інтенсивних звуків корови дають менше молока, кури рідше мчать, птахи починають посилено линяти, затримується проростання насіння і навіть настає руйнація рослинних клітин. Не випадково, наприклад, дерева у місті навіть у «спальних» районах гинуть раніше, ніж у природних умовах.

У сучасних мегаполісах шум зріс у кілька разів. Якщо у 60 – 70 роки минулого століття рівень гучності на вулицях не перевищував 80 дБ, то нині він сягає 100 дБ і більше. На багатьох жвавих магістралях навіть уночі шум не буває нижче 70 дБ, тоді як за санітарними нормами він не повинен перевищувати 40 дБ.

У великих містах Росії (Санкт-Петербург, Нижній Новгород, Красноярськ, Єкатеринбург, Магнітогорськ та ін.) на магістралях з інтенсивним рухом (до 6 - 8 тис. автомобілів екіпажів на годину) фіксується рівень шуму в середньому 73 - 83 дБ, а максимальний - До 90 дБ і більше.

5 етап. Первинна перевірка розуміння вивченого матеріалу

Ціль:встановити правильність та усвідомленість вивченого матеріалу, виявити прогалини, провести корекцію прогалин в осмисленні матеріалу

Методи та прийоми виконання: підготовка учнями своїх питань, своїх прикладів спостереження луни, звуків різної гучності та висоти в природі, вирішення якісних завдань на закон відображення.

6. Етап закріплення навчального матеріалу

Ціль:забезпечити під час закріплення підвищення рівня осмислення вивченого матеріалу, глибини розуміння.

Для закріплення та поглиблення отриманих знань використовується Робочий зошит: № 000, 259, завдання дозволяють застосувати теоретичні знання на практиці,

7 етап. Завдання додому.

Завдання творчого рівня пропонуються тим, хто вважає можливим собі самостійну творчу роботу.

8 етап. Підбиття підсумків заняття та рефлексія

Ціль:дати якісну оцінку роботи класу та окремих учнів; ініціювати рефлексію учнів щодо мотивації своєї діяльності та взаємодії з учителем та однокласниками

Вчитель.Отже, підіб'ємо підсумки нашого уроку. Тепер ми знаємо, що таке висота, гучність і тембр звуку і якими фізичними величинами вони характеризуються, що відображення звуку підпорядковується певної закономірності і може призвести до спостереження такого явища, як відлуння, а також познайомилися з урахуванням та застосуванням відображення звуку в техніці.

Звук поширюється від тіла, що звучить рівномірно на всі боки, якщо на його шляху немає жодних перешкод. Але не всяка перешкода може обмежити її поширення. Від звуку не можна загородитись невеликим листом картону, як від пучка світла. Звукові хвилі, як і всякі хвилі, здатні огинати перешкоди, «не помічати» їх, якщо їх розміри менші, ніж довжина хвилі. Довжина звукових хвиль, що чують у повітрі, коливається від 15 м до 0,015 м. Якщо у перешкод на їх шляху менші розміри (наприклад, у деревних стовбурів в рідкісному лісі), то хвилі їх просто огинають. Перешкода великих розмірів (стіна будинку, скеля) відбиває звукові хвилі за тим самим законом, як і світлові: кут падіння дорівнює куту відображення. Відлуння - це відображення звуку від перешкод.

Своєрідно переходить звук з одного середовища до іншого. Явище це досить складне, але воно підпорядковується загальному правилу: звук не переходить з одного середовища до іншого, якщо їх щільності різко відмінні, наприклад, з води в повітря. Досягаючи межі цих середовищ, майже повністю відбивається. Дуже незначна частина енергії йде на вібрацію поверхневих шарів іншого середовища. Зануривши голову під саму поверхню річки, ви ще почуєте гучні звуки, а на глибині в 1 м вже нічого не почуєте. Риби не чують звук, що лунає над поверхнею моря, але звук від тіла, що вібрує у воді, вони чують добре.

Через тонкі стінки звук чути тому, що він змушує їх вагатися, і вони ніби відтворюють звук уже в іншій кімнаті. Хороші звукоізоляційні матеріали - вата, ворсисті килими, стіни з пінобетону або пористої сухої штукатурки - тим самим і відрізняються, що в них дуже багато поверхонь розділу між повітрям і твердим тілом. Проходячи через кожну з таких поверхонь, звук багаторазово відбивається. Але, крім того, і саме середовище, в якому звук поширюється, поглинає його. Один і той же звук чути краще і далі в чистому повітрі, ніж у тумані, де його поглинають поверхні поділу між повітрям та крапельками води.

По-різному поглинаються у повітрі звукові хвилі різної частоти. Сильніше – звуки високі, менші – низькі, такі, наприклад, як бас. Саме тому пароплавний гудок видає такий низький звук (частота його трохи більше 50 гц): низький звук чутно більшій відстані. Великий дзвін у Московському Кремлі, коли він ще висів на дзвіниці «Іван Великий», було чути за 30 верст - він гудів тоном приблизно 30 гц (фа субоктави). Ще менше поглинаються інфразвуки, особливо у воді. Риби чують їх за десятки та сотні кілометрів. А ось ультразвук поглинається дуже швидко: ультразвук із частотою в 1 МГц послаблюється в повітрі вдвічі на відстані 2 см, тоді як звук у 10 кГц послаблюється вдвічі на 2200 м-коду.

Енергія звукової хвилі

Хаотичне рух частинок речовини (зокрема і молекул повітря) називають тепловим. Коли в повітрі поширюється звукова хвиля, його частки набувають, крім теплового, ще й додатковий рух – коливальний. Енергію для такого руху дає частинкам повітря тіло, що вібрує (джерело звуку); поки воно вагається, енергія безперервно передається від нього в навколишнє повітря. Чим далі пройде звукова хвиля, тим слабшою вона стає, тим менше в ній енергії. Те саме відбувається зі звуковою хвилею і в будь-якому іншому пружному середовищі - в рідині, в металі.

Звук поширюється рівномірно на всі боки, і в кожен момент шари стисненого повітря, що виникли від одного імпульсу, утворюють як би поверхню кулі, в центрі якої знаходиться тіло, що звучить. Радіус і поверхня такої "кулі" безперервно ростуть. Одна і та ж кількість енергії припадає на все більшу і більшу поверхню «кулі». Поверхня кулі пропорційна квадрату радіусу, тому кількість енергії звукової хвилі, що проходить, припустимо, через квадратний метр поверхні, обернено пропорційно квадрату відстані від тіла, що звучить. Отже, на відстані звук стає слабшим. Російський учений Н. А. Умов ввів у науку поняття потік густини енергії. Величиною потоку енергії зручно вимірювати силу (інтенсивність) звуку. Потік щільності енергії в звуковій хвилі – це кількість енергії, яка проходить за секунду через одиницю поверхні, перпендикулярну до напрямку хвилі. Чим більший потік щільності енергії, тим більша сила звуку. Вимірюється потік енергії у ВАТ на квадратний метр (вт/м²).