ĆWICZENIE NR 8

WYZNACZANIE WSPÓŁCZYNNIKA POCHŁANIANIA FAL AKUSTYCZNYCH

1. Część teoretyczna

Falą nazywamy zaburzenie ośrodka materialnego lub pola elektromagnetycznego, rozchodzące się we wszystkich kierunkach przestrzeni.

Ze względu na kształt powierzchni falowej możemy wyróżnić fale:

1. Płaskie

Równanie falowe dla tej fali przedstawia się wzorem:

2. Kuliste

Równanie falowe dla tej fali przedstawia się wzorem:

3. Walcowe

Fala stojąca to szczególny przypadek interferencji fal. Może ona zostać wytworzona w ośrodku poruszającym się względem obserwatora lub w przypadku interferencji dwóch fal poruszających się w takim samym kierunku, ale mających przeciwne zwroty. Fale stojące wytwarzane są często w wyniku interferencji fali padającej i odbitej od granicy ośrodka.

Fala stojąca to w istocie drgania ośrodka nazywane też drganiami normalnymi. Idealna fala stojąca nie jest więc falą- drgania się nie propagują. Miejsca, gdzie amplituda fali osiąga maksima nazywane są strzałkami, natomiast te, w których amplituda jest zawsze zerowa- węzłami fali stojącej. Dla tej fali charakterystyczny jest fakt, że energia nie może być przez nią transportowana, ponieważ przeszkodę stanowią węzły. Dochodzi w ten sposób do trwałego zmagazynowania energii w danych punktach ośrodka. Pozycja fali stojącej w przestrzeni pozostaje niezmienna.

Natężenie fali jest to wielkość wyznaczana jako energia fali dźwiękowej dzielona przez czas i powierzchnię, przez którą ta energia przenika. Definiowana jest wzorem:

 


gdzie:

• I- natężenie fali

• ΔE- energia przenoszona przez falę

• Δt- czas

• Δs- powierzchnia

Dla fali harmonicznej natężenie fali wyraża się wzorem:

Natężenie fali harmonicznej jest proporcjonalne do kwadratu amplitudy fali.

Jeżeli fala akustyczna pada na granicę rozdziału dwóch ośrodków to wówczas następuje jej częściowe odbicie i częściowe pochłanianie. Współczynnikiem pochłaniania fali akustycznej nazywa się stosunek energii pochłoniętej E_p do energii padającej E₀. Współczynnik ten może również być określany przez stosunek natężenia fali pochłoniętej do natężenia fali padającej:

=
=

gdzie:

• I₀- natężenie fali padającej

• I_I- natężenie fali odbitej

• I_p- natężenie fali pochłoniętej

Współczynnik pochłaniania wyznacza się dokonując pomiarów dwoma metodami:

• Przez pomiar metodą fal stojących

• Przez pomiar metoda pogłosową

Pomiar współczynnika pochłaniania metodą fal stojących dokonuje się przy pomocy tzw. Rury Kundta. Próbkę umieszcza się na końcu rury w taki sposób jak materiał będzie ostatecznie montowany. Po przeciwnej stronie rury znajduje się głośnik, przez który przeprowadzana jest cienka i długa rurka połączona z mikrofonem. Głośnik wysyła sygnał. Fala rozchodzi się w rurze i ulega odbiciu od tego materiału. Fala padająca i odbita interferują ze sobą. Powstaje w ten sposób fala stojąca. Kształt powstałej fali fali stojącej jest źródłem informacji o pochłanianiu dźwięku przez badany materiał. Fala padająca i fala odbita maja różne fazy i różne amplitudy.

Mikrofon jest to urządzenie służące do przetwarzania fal dźwiękowych na impulsy elektryczne.

W tradycyjnych mikrofonach dynamicznych fale dźwiękowe powodują drgania cienkiej elastycznej membrany wraz z cewką, która jest do niej umocowana. Drgania cewki, która umieszczona jest między biegunami magnesu, wzbudzają w niej przemienny prąd elektryczny o częstotliwości odpowiadającej częstości drgań fal dźwiękowych.

W wyniku przetwarzania otrzymuje się z mikrofonu przebieg elektryczny -sygnał foniczny w postaci siły elektromotorycznej E, napięcia wyjściowego U oraz prądu I odpowiadającego przebiegowi akustycznemu.

Mikrofon jest generatorem energii elektrycznej, który cechuje:

• skuteczność - wartość występującej w mikrofonie siły elektromotorycznej E przy określonym ciśnieniu akustycznym p i częstotliwości f

• charakterystyka kierunkowości - zależność skuteczności od kierunku padania fali dźwiękowej

• impedancja wewnętrzna mikrofonu (wyrażana w omach)

• symetria lub asymetria układu

Ze względów akustycznych, mikrofon cechuje:

• czułość - parametr przedstawiający zależność między ciśnieniem akustycznym wywieranym na membranie mikrofonu a napięciem wyjściowym

• charakterystyka częstotliwościowa - diagram zależności czułości mikrofonu (w dB) od częstotliwości (Hz) (zwykle w zakresie 20Hz-20 kHz)

• maksymalna wartość ciśnienia akustycznego SPL - maksymalna wartość ciśnienia jaką może przenieść mikrofon dla podanej wartości zniekształceń

• odstęp sygnału od szumu (S/N) - parametr określający odstęp użytecznego sygnału fonicznego od szumu układu (wyrażana w decybelach)

• zakres dynamiczny - parametr określający przedział między wartością minimalną a maksymalną przenoszonego ciśnienia akustycznego

---