Чем сильнее колебания воздуха тем

Чем сильнее колебания воздуха тем

Звук как физическое явление представляет собой колебания какого-либо тела – источника звука. Колебаться могут натянутые струны, кожа, столб воздуха, пластинки стеклянные, деревянные, металлические, мышцы голосовых связок человека. Вибрирующее тело обладает следующими физическими свойствами: частотой, амплитудой, продолжительностью и составом колебаний.

Частота – количество колебаний в единицу времени. Измеряется в герцах. Человек воспринимает звуки с частотой от 16 до 20 000 гц, в музыке частота звуков колеблется от 16 до 4 000 гц. Амплитуда – размах колебания. Продолжительность колебаний не может быть короче 0,015 -0, 020 сек.

Составом колебаний называется способность всякого вибрирующего тела колебаться целиком и частями: струна колеблется вс ей длиной, половинами, третьими частями, четвертыми и т.д.

Колебания частей рождают призвуки (обертоны, элементарные тоны, гармоники), поглощаемые основным тоном. Образующаяся шкала звуков называется частотным спектром или натуральным рядом звуков. Первые 10 гармоник находятся в простых соотношениях с колебаниями основного тона, хорошо прослушиваются и сливаются друг с другом в гармонические комплексы. Высокие гармоники – окрашивающие, воспринимаются слухом по их тембровым качествам.

Для того, чтобы построить обертоновый ряд берём саму ноту, дальше от нее строим октаву, чистую квинту, чистую кварту, дальше большая терция, малая терция, ещё одна малая терция, 4 больших секунды, 2 малых секунды, снова большая секунда, увеличенная прима, малая секунда:

ч.8, ч.5, ч.4, б.3, м.3, м.3, б.2, б.2, б.2, б.2, м.2,м.2, ув.1, м.2

При восприятии звуковых волн человеком происходит моделирование качеств звука:

высота зависит от частоты – чем больше частота, тем выше звук. На музыкальных инструментах частота регулируется изменением толщины и длины вибрирующего тела. Если струна (воздушный столб) короче в 2 раза, частота будет больше в 2 раза, возникнет звук октавой выше. Чем толще колеблющееся тело, тем ниже звук;

Все многообразие звуков, воспринимаемых человеком, можно разделить на 3 категории: звуки с точной высотой — музыкальные звуки; звуки, лишенные точной высоты — шумы; звуки, высота которых не фокусирована. Музыкальные звуки отличаются высокой степенью организованности прежде всего высотных и временных отношений, богатством тембровых и динамических ресурсов. Звуковысотные системы – это строй, лад, серия, интонация, модальная и функциональная гармония. Способы организации звуков во времени – это метр, соотношение длительностей звуков, ритмические рисунки, ритмическая регулярность и нерегулярность, акцентуация. Тембровая сторона звука не подвержена такой жесткой регламентации, однако и в этом направлении музыкальная практика выработала различные виды певческих голосов и музыкальных инструментов, правила их соединения друг с другом (разные виды вокальных и инструментальных ансамблей, оркестров). Кроме того, разные участки диапазон а любого голоса или инструмента – регистры — имеют разный тембр. Огромные тембровые ресурсы скрыты в различных способах организации голосов музыкального произведения, их соотношении, функционировании, то, что образует музыкальную ткань или фактуру произведения.

Предмет «Элементарная теория музыки» изучает все, что связано с музыкальным звуком, начиная со способов его графической фиксации («Нотное письмо») и завершая изучением таких элементов музыкальной речи, как мелодия и фактура.

Задание

1. Законспектируйте тему:

Чем сильнее колебания воздуха тем

Во время грозы сначала видна вспышка молнии и лишь через некоторое время слышатся раскаты грома. Это запаздывание возникает из-за того, что скорость звука в воздухе значительно меньше скорости света, идущего от молнии. Любопытно вспомнить, в какой среде звук распространяется быстрее всего, а где вообще не распространяется?Опыты и теоретические расчеты скорости звука в воздухе предпринимались ещё с XVII века, но только через два столетия французский ученый Пьер-Симон де Лаплас вывел окончательную формулу для её определения. Скорость звука зависит от температуры: с увеличением температуры воздуха она растёт, а с уменьшением — падает. При 0° скорость звука составляет 331 м/с (1192 км/ч), при +20° она уже равна 343 м/с (1235 км/ч).Скорость звука в жидкостях, как правило, больше скорости звука в воздухе. Опыты по определению скорости впервые провели на Женевском озере в 1826 году. Два физика сели в лодки и разъехались на 14 км. На одной лодке поджигали порох и одновременно ударяли в колокол, опущенный в воду. Звук колокола с помощью специального рупора, также опущенного в воду, улавливался на другой лодке. По интервалу времени между вспышкой света и приходом звукового сигнала определили скорость звука в воде. При температуре +8° она оказалась равной примерно 1440 м/с. Люди, работающие в подводных сооружениях, подтверждают, что под водой отчетливо слышны береговые звуки, а рыбаки знают, что рыба уплывает при малейшем подозрительном шуме на берегу.Скорость звука в твёрдых телах больше, чем в жидкостях и газах. К примеру, если приложить ухо к рельсу, то после удара по другому концу рельса человек услышит два звука. Один из них «придёт» до уха по рельсу, другой – по воздуху. Хорошей проводимостью звука обладает земля. Поэтому в стародавние времена при осаде в крепостных стенах помещали «слухачей», которые по звуку, передаваемому землёй, могли определить, ведет ли враг подкоп к стенам или нет, мчится конница или нет. Кстати, благодаря этому люди, потерявшие слух, иной раз способны танцевать под музыку, которая доходит до их слуховых нервов не через воздух и наружное ухо, а через пол и кости.Скорость звука – скорость распространения упругих волн в среде как в продольных (в газах, жидкостях или твёрдых телах), так и в поперечных, сдвиговых (в твёрдых телах), определяется упругостью и плотностью среды. Скорость звука в твёрдых телах больше, чем в жидкостях. В жидкостях, в том числе в воде, звук мчится в 4 с лишним раза быстрее, чем в воздухе. Скорость звука в газах зависит от температуры среды, в монокристаллах — от направления распространения волны.То есть, для распространения звука необходима упругая среда. Именно поэтому в вакууме звуковые волны распространяться не могут, так как там нечему колебаться. Это подтверждает простой опыт. Если поместить под стеклянный колокол электрический звонок, то по мере выкачивания из-под колокола воздуха, звук от звонка будет становиться слабее и слабее, пока не прекратится совсем.

Следите за развитием событий в нашем Телеграм-канале

Хотите видеть наши новости в своей ленте социальной сети? Присоединяйтесь к нам в Вконтакте, Одноклассниках и в Яндекс.Дзен. Вы также можете настроить RSS-фид и подписаться на регулярное получение новостей и погоды в Telegram.

Звук- это продольная волна в упругой среде. Воздух- это упругая среда?

Воздух и звук — это неотъемлемая часть нашей жизни, но и то и другое мы не в состоянии увидеть.

Без воздуха мы бы умерли, так как перестали бы дышать.

Без способности слышать звуки мы лишились бы средства общения между людьми и потока информации о внешней среде.

Так что спорить о существовании воздуха и звука не приходится.

Другой вопрос в том, что не очень понятен принцип устройства самого воздуха и механизм передачи звука в нём.

Известные факты о воздухе:

• воздухом мы окружены постоянно,
• он имеет температуру, плотность, давление, проявляет упругие свойства в некоторых условиях (автомобильные шины и футбольные мячи),
• с опорой на воздух могут летать самолёты.

Известные факты о звуке:

• Передаётся по воздуху
• Имеет скорость 300–350м/с в зависимости от температуры среды (в холодном воздухе медленнее)
• Одинаковая скорость у звука разной громкости и разной «нотности» (частоты волны).
• Звук издаётся любыми движущимися предметами.

Для дальнейшего рассмотрения звука как звуковой волны в воздухе мы построим механическую модель идеального звукогенератора.

Поршневой звукогенератор

В качестве звукогенератора продольной волны создадим механическую установку, способную генерировать идеальный синусоидальный сигнал.

В качестве такого механизма мы будем использовать кривошипно‑ шатунный механизм с плоским поршнем (см.рис.1)

При этом длина шатуна будет считаться бесконечно большой. Так чтобы его угловые отклонения от оси цилиндра были близки к нулю, а длина проекции на ось имела постоянную длину, то есть косинус угла отклонения равен единице.

Создавать поршневой звукогенератор мы будем виртуально, то есть с помощью картинок и расчётных моделей.

Рис.1. Схема кривошипно-шатунного механизма (КШМ) и его применение в поршневом ДВС (справа).

В реальности подобные установки тоже возможны, но они будут генерировать только очень низкие частоты из‑за ограниченных скоростей вращения кривошипно‑шатунного механизма.

При этом ограничения чисто механические, так на высоких скоростях вращения просто не выдержат сами кривошипы из‑за чудовищных разрывных сил от центростремительного ускорения.

Да и вращать кривошип можно только с весьма низкими угловыми скоростями.

Так самые высокооборотистые промышленные электродвигатели выдают скорость вращения всего 24 тыс.об/мин, что соответствует вращению синхронного электродвигателя двигателя на частоте переменного тока 400Гц.

Электродвигатели на частоте 400Гц применяют в электроприводах самолётов для снижения массы двигателя при сохранении мощности установки.

И даже сверхскоростные газовые центрифуги для разделения изотопов урана вращаются на скоростях всего 1500об/секунду (1500Гц).

Но в теоретических расчётах прочность материалов и частота промышленного тока никак не смогут ограничить полёт нашей фантазии.

Таким образом, мы рассматриваем виртуальную модель кривошипно‑шатунного генератора плоской продольной волны.

При этом закон перемещения поршня строго привязан к круговой диаграмме вращения кривошипа на валу, а проекция длины кривошипа на ось цилиндра генерирует идеальный синусоидальный график от угла поворота вала кривошипа. (см.рис.2)

Поршневая модель нам нужна для того, чтобы визуализировать теоретическую математическую тригонометрическую функцию «синус» в наглядные линейные перемещения физического поршня, генерирующего звуковую волну в разных её фазах.

Рис.2. Схема поршневого генератора звука с синусоидальной волной.

Так в поршневой модели мы легко определяем некоторые параметры звуковой волны.

Частота волны (Гц) — это количество оборотов вала кривошипа за одну секунду, то есть 1Гц= 1 об/с

Амплитуда волны (геометрическая)‑ размах колебания поршня от начального положения до конечного при повороте кривошипа на 180 градусов (половина оборота), и как любая длина измеряется в метрах (м).

Длина волны (L) — производная величина от деления скорости распространения звука Va (м/с) на частоту звука f (Гц)

Длина волны связана только с режимом работы кривошипного механизма (частота вращения вала), и не связана с геометрическими параметрами самого механизма.

При рассмотрении процесса генерации волны для нас будут интересны некоторые производные параметры при работе кривошипно‑шатунного механизма (далее КШМ).

Таким параметром будет максимальная скорость поршня Vп‑мах, которая зависит от угловой скорости кривошипа W и длины самого кривошипа Lк, из чего получаем зависимость:

Параметр Vп‑мах позволяет определит максимальную величину изменения давления в звуковой волне (Рв) от существующего постоянного уровня давления атмосферы (Рат)

Так при постоянной скорости движения поршня Vп и постоянной скорости распространения звука Vа объём воздуха между поршнем и фронтом звуковой волны будет иметь переменную во времени длину:

При этом пройденная звуком длина составит величину:

То есть расстояние Lв‑з будет меньшим, чем пройдённое звуком расстояние Lв от неподвижной базы КШМ.

Разница объёмов воздуха на длинах Lв и Lв‑з даёт нам показатель максимального геометрического сжатия воздуха в такой волне.

Ксж= Lв /Lв-з= Va*Т/((Va-Vп)*Т)= Va/(Va-Vп)

Такую же величину относительного сжатия элементарного объёма воздуха над плоскостью крыла самолёта я получал в расчётах подъёмной силы плоского крыла сверхзвукового самолёта. (см.статью Объяснение физической сущности явления «Подъёмная сила Крыла» без использования уравнения Бернулли)

Звуковое давление

Звуковое давление нормируется через ощущение силы звука, а числено выражается в децибелах (дБ) от некого нулевого порога слышимости (см.рис.3). При этом усиление силы звука в 10 раз соответствует увеличению значения на 10дБ. То есть шкала силы звука‑ это степенная функция.

Согласно данным о слышимости звуков порог чувствительности человеческого уха по интенсивности звука лежит на величинах избыточного давления Рмин=20мкПа (20дБ).

Шум тихой ночью 20дБ, а при более низкой интенсивности фонового звука вокруг человека возникает тревожность, так как человек начинает слышать звуки изнутри самого себя ( слышно шум тока крови по сосудам в ухе).

Болевой порог наступает при шуме выше 120дБ. (см.рис.3)

Так как каждые 10дБ прибавляют давление звуковой волны в 10 раз, то звук в 120дБ будет создавать давление в 10^10 выше порога слуха:

Рмах=Рмин*10^10 =20*(10^-6)* 10^10=20*10^4=200кПа

200кПа=2атм, что равно избыточному давлению при погружение в воду на глубину 20м.

Практика ныряния показывает, что боль в ушах при нырянии в глубину при заложенных пазухах от ушей к носоглодке (насморк) наступает уже на глубинах 3–5 м. После чего аквалангист уже не может погружаться и начинает всплывать от боли в ушах.

Такая же боль наступает при полётах в самолёте, когда от насморка не удаётся выровнять давление в ушах с пониженным до 0,6 бар давлением в самолёте на высоте (0,6 бар= 6м.вод ст.)

Возможно, что знакопеременные циклические нагрузки на уши от громкого звука переносятся легче, чем постоянное растяжение избыточным давлением при погружении в воду.

Справедливость предположения подтверждается данными о действии ударной волны от взрыва.

Так разрыв лёгких наступает при избыточном давлении во фронте ударной волны всего 0,1МПа (1бар) или 194дБ, а смерть при 0,2МПа (2 бар) или 200дБ.

Получается, что избыточное давление в протяжённом фронте ударной волны не совпадает с воздействием от синусоидального давления звука, так как 0,2МПа в звуке достигается по расчёту уже при 120дБ.

Рис.3. Значения уровня шума в децибелах (дБ) и их физическое воплощение.

Расчёт скорости поршня звукогенератора для заданного уровня звукового давления

Давления Рмах в звуковой волне можно однозначно связать со скоростью движения возбудителя звука через значение Ксж и формулу адиабаты, где выполняется зависимость:

Тогда отношение давлений будет иметь вид:

Если принять расчётное избыточное давление дР=20мкПа, то Р2=Р1+дР.

Откуда получим Ксж:

С учётом скорости звука 340м/с получим скорость поршня

То есть порог слышимости у человека составляет колебания воздуха от чудовищно мелких по масштабу циклических процессов с частотой более 20 колебаний в секунду (20Гц).

Именно эта чувствительность уха позволяет слышать гудение крыльев мельчайших насекомых, и даже шорох падающего с дерева листа.

Скорость колебаний поршня для получения давления болевого порога

При болевом пороге с избыточным давлением 2бар коэффициент сжатия должен составит величину:

Тогда скорость поршня в прямом ходе равна:

Vп= Va -(Va/Кcж) =340-340/2,19=185м/с

При обратном ходе звуковой волны геометрическое изменение объёма от хода поршня имеет ту же величину объёма как и на прямом ходе, но кратность изменения давления вверх и кратность вниз имеют различную абсолютную величину от базового уровня 1 бар.

Так при ходе поршня назад скорость поршня Vп становится отрицательной, при этом по модулю оставаясь такой же Vп=185м/с.

Тогда для обратного хода в формуле:

При этом давление Р3= Р1*Краз^1,4= 1*0,648^1,4=0,545 бар

То есть нижний уровень давление в волне разрежения составит всего Рраз=0,545 бар.

Получается, что абсолютное давление в положительных полуволнах поднялось на 2 бар, а в отрицательных полуволнах опустилось всего на 0,455 бар (см.рис. 4).

То есть в идельном поршневом КШМ совершенно не одинаковы уровни давления разряжения и сжатия.

Таким образом, для толкания волны вперёд в КШМ требуется прилагать много больше силы, чем возвращается на обратном ходу.

Именно эта неравновесность циклов сжатия и разрежения определяет затраты энергии на генерацию звуковой волны.

Рис. 4. Наглядное изображение зон уплотнение и растяжения слоёв воздуха от поршня на постоянной скорости Vп=0,5*Vа, где зона сжатия (растяжения) сопоставима с ходом поршня, как на прямом ходу, так и на обратном. Избыточное давление в фронте +2 бар, разрежение -0,45 бар. Размер молекул в отношении к зазорам на рисунке показан приблизительно в 3 раза больше (в целях наглядности изображения), чем в воздухе при давлении 1бар.

Что именно в нашей жизни невыносимо громко шумит?

Интересно сравнить скорость поршня звукогенератора Vп=185м/с с чем‑то осязаемым и понятным.

Так скорость 185м/с имеют концы лопастей тяговых винтов самолёта АН-2 на средних оборотах двигателя.

Так как интенсивность звука на заданной частоте зависит именно от скорости генерирующей поверхности, то понятно, почему рядом с винтовыми самолётами так шумно и громко, аж до боли в ушах.

Частотный спектр шума от воздушного винта самолёта Ан-2 составит интервал 23–108Гц, при частоте вала 345–1615 об/минуту и 4-х лопастях воздушного винта.

Правда, форма кривой звука винта не идеально синусоидальная, а пилообразная, с резким фронтом давления.

23Гц — это глухой тяжёлый рокот на холостых.

108Гц — низкий вибрирующий звук на полных оборотах.

Ну, а концы лопастей винта Ан-2 будут иметь скорости: 65 м/с на холостых и 304м/с на максимальны оборотах соответственно.

То есть в мороз минус 50С ( когда скорость звука всего 299м/с) концы винта Ан-2 на полном газу становятся сверхзвуковыми и начинают резать ухо ударной сверхзвуковой волной.

Скорость фронта звуковой волны и скорость частиц внутри звуковой волны

Звуковые волны одна за одной удаляются от источника звука с постоянной скоростью. Но массы воздуха в целом при этом никуда не двигаются, оставаясь на одном месте в среднем за цикл колебания.

Частота колебания источника волны так же никак не связана со скоростью звука.

Вопрос в том, по каким законам движутся отдельные частицы воздуха при прохождения через них звуковой волны?

Мы знаем, что возбуждающая звук машина работает строго по закону Sin(t).

Следовательно и все остальные частицы в составе волны должны подчиняться этому же закону с какими‑то поправочными коэффициентами.

В рамках кругового процесса с нулевым перемещением за цикл каждая частица совершает перемещение по прямой туда‑обратно, также по закону Х= К*cos(t).

На длине волны скорость частиц в волне подчиняется закону V=dX/dT, то есть скорость равна производной от функции перемещения поршня.

При этом перемещение и скорость связаны общей функцией по виду, но со сдвигом фазы.

Распределение плотности по длине волны в воздухе строго привязано к давлению, то есть так же подчиняется закону «синуса‑косинуса».

Все эти рассуждения привели к чудовищному нагромождению тригонометрических функций и их производных, при этом качественной понятной картинки получить из них пока не удалось. Хотя сами функции давно теоретически описаны в учебнике (см.рис.5-а‑б)

Рис. 5-а-б. Фрагмент учебника «Волны» по теме звуковых волн в газах. Функции амплитуд и скорости молекул в звуковой волне.

Согласно данных формул можно рассчитать скорость молекул и ход поршня звукогенератора для нескольких крайних случаев:

1) 1кГц с низкой амплитудой обычных голосовых связок где ход составляет 2мм.

Циклическая частота w=2*3,14*1000=6,28*1000

2) В тоже время для предельного случая 100Гц с максимальной амплитудой при 120дБ и избыточным давлением 2бар от винта со скоростью лопасти V= 185м/с.

Циклическая частота составит:

Если скорость звукогенератора составляет V=0,54*Vа=185м/с, то теоретический синусоидальный ход условного поршня должен составить величину: А=185/(6,28*100)=0,29м.

Смена модели синусоидального звукогенератора на поршень постоянной скорости

Для получения качественного понимания максимальной скорости молекул воздуха в волне звука имеет смысл сменить модель звукогенератора от синусоидального кривошипа на поршень с постоянной скоростью.

В качестве механической модели для генератора «трапецевидной» волны хорошо подходит тот же поршень, только вместо кривошипного‑шатунного привода у него транспортёрно‑шатунный привод.

В «транспортёрно‑шатунном механизме» (ТШМ) вместо кривошипа используют ленточный транспортёр на двух цилиндрических валах.(см.рис.6)

В этом случае циклограмма движения поршня состоит из кусков синусоиды на подъёмах‑опусках «трапециевидного» графика и горизонтальной части полок «трапеции» во время прохода конца шатуна по прямой части транспортерного механизма.

Если сделать ТШМ с большим количеством валков, то можно получить весьма замысловатые ступенчатые графики волны.

Рис.6. Схема поршневого генератора звука: А- с синусоидальной волной, Б- двухвалковый ленточный привод поршня со ступенчатой волной, В- четырёхвалковый ленточный привод поршня с многоступечатой волной.

На горизонтальных полках ступенчатого графика локальная частота звука равна нулю, а поршень двигается с постоянной скоростью Vп=const, создавая перед собой слой воздуха постоянного давления. При этом слой постоянного давления увеличивает свою толщину со скоростью (Vа‑Vп) от удаляющегося со скоростью звука Vа фронта волны.

В этой модели на горизонтальных «полках» графика исчезает функция «синус» вообще, а модель становится квазистатичной относительно поршня.

Так получается, что сжатый слой воздуха перед поршнем является звуковой волной нулевой частоты, при этом давление воздуха постоянно на всей толщине сжатого слоя воздуха, и как следствие скорость молекул в сжатом воздухе равна нулю относительно поршня.

Такие типы звуковой волны с протяжённым объёмом постоянного давления имеют реализацию в жизни. Их называют «прямоугольными» или «квадратными» звуковыми волнами (см.рис.7)

Рис.7. Периодические волны различной формы.

На протяжении горизонтальной полки квадратной волны давление между молекулами одинаковое, а сами молекулы двигаются совместно с одинаковой скоростью.

То есть выполняется равенство: Vп=Vм

Единственное место, где скорость меняется‑ это фронт волны.

Но и на фронте волны закономерность разгона связана с законом разгона поршня на приводном валке от нуля до Vп=const.

Получается, что и в фазе разгона молекулы двигались со скоростью самого поршня в начальной фазе разгона.

Чем больше амплитуда волны (большее избыточное давление), тем более высокую скорость должен иметь поршень (возбудитель колебаний), и тем большую скорость молекул он будет создавать по направлению движения волны в цикле колебания.

Реальные механические возбудители звука не могут давать идеально прямоугольную форму волн, а только близкую к «квадратным» звуковым волнам, так как разгон материальных тел не может быть мгновенным.

Это значит, что «вертикальная» часть кривой должна иметь ощутимый переменный наклон, делая форму волны трапециевидной с наклоном боковых граней.

Если создавать «трапециевидные» волны методом сложения идеальных синусоид разных частот, то мы получим волнистое приближение к идеальной «трапеции». (см.рис.8–9)

Рис.8. Синтез почти «квадратной» волны из суммы классических «синусоидальных» волн разной частоты. Чем больше разных синусоидальных волн суммируется, тем больше сумма похожа на «квадрат». Промежуточные итерации похожи на «трапецевидные» волны с сильно волнистыми «горизонтальными» полками.

В качестве примера суммарной «трапецевидной» волны можно представить себе вагон поезда с пассажирами.

Так горизонтальных полках трапецевидно‑волнистого графика‑ это «вагон», в котором молекулы будут двигаться с одинаково высокой базовой скоростью, как бы внутри этого одного общего вагона. Ну, а мелкую рябь будут создавать колебанием с высокими частотами и малыми амплитудами этих же молекул относительно друг друга уже внутри самого вагона.

Похожим образом обычные пассажиры едут в вагоне поезда на высоко постоянной скорости, но при этом в тоже время они могут ходить по вагону и двигаться внутри отдельных купе с относительно небольшими скоростями.

Рис.9. Синтез почти «квадратной» волны из суммы классических «синусоидальных» волн разной частоты. Средний «зелёный» график состоит из суммы 7 волн с верхнего графика. Нижний «почти квадратный» график состоит из суммы 79 волн.

Скорость звука‑ так что там в ней и с какой скоростью двигается?

На примере «квадратной» волны становится очевидным, что молекулы в звуковой волне двигаются не быстрее, чем поршень звукогенератора.

Если молекулы воздуха в звуковой волне двигаются так медленно, то что именно в звуковой волне двигается со звуковой скоростью?

Оказывается, что со скоростью звука двигается только «Фазова поверхность» в фронте звуковой волны.

То есть двигается не сама материя молекул, а состояние напряжения упругой среды вокруг материи молекул.

И тут начинается совпадение физических объяснений звука в воздухе с объяснением звука в твёрдых телах, которыми занимается раздел науки с названием «Физика твёрдого тела».

Не смотря на совпадение модельного подхода в объяснении работы газов и упругих твёрдых тел, тем не менее, считается, что устройство газов объясняет «Кинетическая теория газов» (далее КТГ). Так в КТГ заявляется, что в газах нет никаких упругих дистанционных сил между молекулами газа, а все взаимодействия осуществляются при физическом упругом контакте в момент столкновения молекул газа.

Именно по КТГ рассчитывается тепловая скорость движения молекул газа, которая превышает 480м/с в комнатных условиях, или в 1,4 раза больше скорости звука Vа=340м/с в воздухе этого же помещения.

Только одно это весьма значительное отличие тепловой скорости движения молекул газа от скорости звука в газе должно было разрушить КТГ как легитимную теорию!

Но «учёные» данное противоречие в КТГ игнорируют, а КТГ продолжают преподавать и изучать как достоверную теорию.

Физика твёрдого тела

Существует отдельный раздел физики, посвящённый свойствам твёрдых кристаллических тел.

Этот раздел физики называют «Физика твёрдого тела» (далее ФТТ).

Согласно ФТТ считается, что отдельный атом как бы зафиксирован на упругих пружинках относительно соседних атомов кристаллической решётки (см.рис. 10).

Рис.10. Фрагмент страницы учебника «Физика твёрдого тела», где рассматривается модель устройства упругой пружинной подвески атома в кристаллической решётке вещества. Именно такие объяснения приводятся в учебнике ФТТ, который я нашёл в открытом доступе в интернете (см. по ссылке)

При этом вычисляется жёсткость этих пружинок на уровне около 25Н/м.

Это огромная величина, если пересчитать на микроскопический размер и массу отдельного атома.

Так же постулируется скорость звука в твёрдых телах (ТТ) на уровне:

Где Е- модуль упругости твёрдого тела, q- плотность вещества твёрдого тела.

Далее вычисляется теплоёмкость кристаллического тела по уравнениям газовой динамики (см.рис.11-12)

Рис.11. Фрагмент страницы учебника «Физика твёрдого тела», где рассматриваются механизмы устройства идеального газа для переноса их в ФТТ.

Рис.12. Фрагмент страницы учебника «Физика твёрдого тела», где рассматриваются различия расчётных значений теплоёмкости для идеального газа и кристаллических тел с упругим подвесом молекул в решётке.

Последний фрагмент текста (см.рис.12) нельзя пропустить просто так, то есть без обсуждения заявленных тезисов.

Так получается по тексту учебника, что в упругой пружинной подвеске атомов твёрдого тела имеется сразу две энергии : кинетическая (скорость) и потенциальная (сжатая пружина).

И на этом основании делается вывод, что эти две энергии дают удвоение энергосодержание в кристалле по сравнению с газом (где пружин нет).

Но у меня вопрос: Разве совпадают по времени максимальное сжатие пружины и максимальная скорость молекул в кристалле?

На мой взгляд, при максимизации одной составляющей другая обнуляется, а их сумма всегда равна Единице, а не Двойке.

Тем более, что в газе по КТГ скорость молекул и их кинетическая энергия (=тепловая энергия) всегда постоянна, и никогда не бывает половинной (как это заявлено для ТТ). Краткий миг соударения молекул не учитываем, так как и в теории КТГ его не выделяют по времени никак.

Получается, что автор учебника совершил явную подтасовку в последних строках на 57 стр. (см.рис.12).

В реальности у одноатомного газа и ТТ будет одинаковая энергия на каждую степень свободы, то есть кТ/2,

при этом сумма энергий атома по трём направлениям по ФТТ должна составить:

Еполн= 3*кТ/2=кТ*3/2

То есть никак не 3кТ , как пишет автор учебника.

Но если разрыв в 2 раза в теплоёмкостях кристаллов над газами присутствует на самом деле (так оно и есть по факту), то это значит, что в ТТ присутствует предварительное сжатие пружин атомной подвески какими-то дополнительными структурирующими силами. А вот эти дополнительные структурные силы почему-то в ФТТ никак не рассматривают.

У меня только один вопрос к авторам учебников по физике:

Авторы учебников в принципе не проверяют свои выводы и формулы на логику?

Или желание подогнать теоретические выкладки под известный ответ превышают порог совести учёного?

В одной из предыдущих статей я нашёл противоречие в справочных данных по тяге ракетных двигателей с заявляемой РАСЧЁТНОЙ скоростью истечения из критического сечения по формулам теоретического раздела того же учебника.

Там необходимый импульс тяги (справочный) создавался на расчётной скорости в случае истечения газов из КС ЖРД только если газ в струе был бы с большей плотностью, чем в камере сгорания. А это НЕВОЗМОЖНО!

Статья про ЖРД по ссылке.

Звук в воздухе- это продольная волна в упругой среде

Ниже приведён фрагменты из учебника.(см.рис.13) и методички из интернета.(см.рис.14.), где в одном изображении сведены все необходимые формулы для расчёта скорости звука в «упругом» твёрдом теле и скорости молекул в «неупругом» воздухе по КТГ.

Рис.13. Фрагмент методички из интернета, где расчёт скорости звук в газе производится из адиабатической жёсткости газа, подобно скорости звука в твёрдых телах по ФТТ. При этом модуль объёмной упругости газа К не определён через понятные физические параметры газа.

Рис.14. Фрагмент методички из интернета, где расчёт скорости звук в газе производится из адиабатической жёсткости газа, подобно скорости звука в твёрдых телах по ФТТ. В этом случае модуль объёмной упругости газа определён в явном виде К=k*P, то есть определён через понятные физические параметры газа, что для воздуха в нормальных условиях составит К=1,4*100000=140кПа. При этом в явном виде замечают, что скорость звука «немного меньше» средней скорости хаотического теплового движения молекул газа. Я не знал, что различие значений в 1,4 раза или на 40% -это считается «немного» для учёных-физиков.

Рассчитаем скорости звука для газа из модуля упругости газа, подобно звуку в твёрдых телах по ФТТ.

Подставим известные значения реального воздуха в выше указанные формулы:

Идеальное попадание расчётного значения скорости звука для упругого газа в экспериментально полученное и широко известное значение скорости звука в воздухе!

Собственно никто особо и не скрывает тождественность формул скорости звука для газа и твёрдых тел (см. рис.15.)

Рис.15. Фрагмент методички из интернета, где расчёт скорости звук в газе производится из адиабатической жёсткости газа, подобно скорости звука в твёрдых телах по ФТТ.

Внезапно выясняется, что формулы для неупругого газа по КТГ с хаотическими ударами абсолютно упругих молекул совпадает с формулой для упругих твёрдых тел.

При этом выполняется равенство:

где Е‑ модуль упругости твёрдого тела.

То есть в данном расчёте модуль упругости твёрдого вещества с параметрами от воздуха равен упругости газа в адиабатическом процессе.

Выходит, что газ — это УПРУГАЯ СРЕДА в момент пропускания звука.

А разве в остальных случаях воздух не является упругим?

Вроде бы как внутри шин автомобиля и в футбольном мяче воздух вполне себе упругий!

Выводы и заключения

1. Физика твёрдого тела использует в качестве модели твёрдого тела системы из упруго подвешенных на пружинках шариков, при этом расчётные формулы для таких «твёрдых тел» тождественны к формулам «идеального газа».
2. Физика считает, что по КТГ (кинетической теории газа) «идеальный газ» — это абсолютно упругие шарики, которые стучат друг по другу и стенкам сосудов без потери энергии при соударении, при этом скорость этих шариков сопоставима со скоростями ружейной пули, а именно: 480м/с для воздуха в нормальных условиях при давлений воздуха Р=1бар, температура Т=293К (Тс=+20С). Вот только свойства реальных газов, такие как «теплопроводность» и «скорость звука», никак не вписываются в КТГ, опровергая КТГ как адекватную реальности теорию.
3. Если формулы одинаковы для якобы абсолютно разных по строению веществ, то может быть и механизмы функционирования этих веществ тоже одинаковы?
4. Может тогда имеет смысл рассматривать идеальные газы как «Упругую среду», где мелкий массивные атомы газа подвешены на пружинках взаимного отталкивания, то есть почти как и в «твёрдых телах»? При этом молекулы газа вовсе не носятся как безумные резиновые пули, а почти неподвижно висят на пружинках взаимного отталкивания, слегка колеблясь при передаче звуковых волн. (см. статью по ссылке)
5. При передаче звука по воздуху скорость молекул в колебательном процессе не превышает скорость тел, возбудивших звуковую волну в воздухе. То есть даже при передаче самых сильных звуков со скоростью звука молекулы воздуха имеют скорости кратно меньше скорости звука, а также много меньше расчётных тепловых скоростей молекул газа по КТГ.

• звук
• скорость звука
• скорость частиц в звуковой волне
• звук в твёрдых телах
• звуковое давление
• физика твёрдого тела
• кинетическая теория газов
• статическая теория газов
• генератор звука
• звуковая волна

• Занимательные задачки
• Научно-популярное
• Физика
• Звук
• Инженерные системы

Вибро и шумоизоляция механических клавиатур

1. Готовый комплект для установки в клавиатуру.

Определение понятий и объектов исследования

Звук — в физике, в широком смысле — упругие волны, распространяющиеся в среде и создающие в ней механические колебания.

Шум — беспорядочные колебания различной физической природы, отличающиеся сложностью временной и спектральной структуры.

Реверберация — представляет собой эффект отражения звука от поверхностей предметов, которые окружают источник звука. (Процесс постепенного уменьшения интенсивности звука при его многократных отражениях.)

Рефракция звука — искривление звуковых лучей в неоднородной среде, в которой скорость звука зависит от координат. Звуковые лучи поворачивают всегда к слою с меньшей скоростью звука, и рефракция выражается тем сильнее, чем больше градиент скорости звука.

Техники демпфирования / Damping techniques (дэмпинг, зашумление, шумка) – методы демпфирования, различные ухищрения для уменьшения громкости звуков в процессе печати на клавиатуре. Корпус клавиатуры заглушается шумоизолирующими и поглощающими вибрацию материалами, переключатели (и стабилизаторы) смазываются различными видами смазок, добавляются o-rings, виниловые вкладыши-наклейки между половинками разобранных переключателей, GMK QMX-Clip Sound-Dampening Brackets и прочее.

Де́мпфер (нем. Dämpfer — глушитель, амортизатор от dämpfen — заглушать) — устройство для гашения (демпфирования) или предотвращения колебаний, возникающих в машинах, приборах, системах или сооружениях при их работе. (например: тонкий вибродемпфер)

Вла́жность — показатель содержания воды в физических телах или средах.

Гигроскопи́чность — способность некоторых веществ поглощать водяные пары из воздуха. Гигроскопичные материалы обладают способностью поглощать влагу из воздуха, в котором практически всегда имеется некоторое количество водяных паров. Прочность и механические свойства гигроскопичных материалов нередко существенно зависит от влажности.

Акустические свойства материалов — это свойства, связанные с взаимодействием материала и звука. Прежде всего, это — звукопроводность и звукопоглощение.

Звукопроводность зависит от массы материала и его строения. Материал тем меньше проводит звук, чем больше его масса; если масса материала велика, то энергии звуковых волн не хватает, чтобы пройти сквозь него, так как для этого надо заставить материал колебаться. Плохо проводят звук пористые и волокнистые материалы, так как звуковая энергия поглощается и рассеивается развитой поверхностью материала, переходя при этом в тепловую энергию.

Звукопоглощение зависит от характера поверхности материала. Материалы с гладкой поверхностью отражают большую часть падающего на них звука (эффект зеркала), поэтому в помещении с гладкими стенами звук, многократно отражаясь от них, создает постоянный шум. Если же поверхность материала имеет открытую пористость, то звуковые колебания, входя в поры, поглощаются материалом, а не отражаются.

Звукопоглощение За единицу звукопоглощения принимают поглощение звука 1 м 2 открытого окна; при открытом окне звук поглощается полностью. Звукопоглощение всех строительных материалов меньше единицы. Звукопоглощение материала оценивают коэффициентом звукопоглощения, т. е. отношением энергии, поглощенной материалом, к общему количеству падающей энергии в единицу времени.

Звукопоглощение зависит от характера поверхности материала. Материалы с гладкой поверхностью хорошо отражают падающий на них звук, поэтому в помещениях с гладкими стенами создается постоянный шум. Материалы с развитой открытой пористостью хорошо поглощают и не отражают падающий на них звук. Известно, что ковры, дорожки, мягкая мебель заглушают звук.

Звукопроницаемость — отрицательное свойство, так как в большинстве случаев к материалам предъявляются требования изоляции чего-либо от внешних либо внутренних шумов.

Звукоизоляция — ослабление звука при его проникновении через ограждающие конструкции — это свойство материала, обратное звукопроницаемости.

Звукопоглощение — свойство материала поглощать и отражать падающий на него звук. Оно зависит от пористости материала, его толщины, состояния поверхности, а также от частоты звукового тона, измеряемого количеством колебаний в секунду.

Коэффициент звукопоглощения (КЗ) — это отношение поглощенной звуковой энергии ко всей энергии, падающей на материал.

• За единицу звукопоглощения условно принимают звукопоглощение 1 м 2 открытого окна.
• Коэффициент звукопоглощения может изменяться в пределах от 0 до 1. При нулевом значении коэффициента звукопоглощения звук полностью отражается, при полном звукопоглощении коэффициент равен единице.

Адге́зия — сцепление поверхностей разнородных твёрдых и/или жидких тел. Адгезия обусловлена межмолекулярными взаимодействиями в поверхностном слое и характеризуется удельной работой, необходимой для разделения поверхностей

Эластоме́ры — это полимеры, обладающие высокоэластичными свойствами и вязкостью. Резиной или эластомером называют любой упругий материал, который может растягиваться до размеров, во много раз превышающих его начальную длину, и, что существенно – возвращаться к исходному размеру, когда нагрузка снята. Иногда в обиходе эластомеры называют резинами.

Амплиту́дно-часто́тная характери́стика (АЧХ) — зависимость амплитуды установившихся колебаний выходного сигнала некоторой системы от частоты её входного гармонического сигнала. АЧХ — один из видов «частотного отклика» системы наряду c ФЧХ и АФЧХ.

Сэбин (sabin) — Единица, применяемая для измерения звукопоглощающей способности поверхности, эквивалент звукопоглощения 1 квадратного фута идеального звукопоглощающего материала. Иногда называется open window unit (единица открытого окна).

Твердость по Шору – показатель, который указывает на сопротивление продавливанию.

1. Акустические свойства

Свойства материалов и изделий излучать, проводить и поглощать звук называются акустическими. Звук представляет собой упругие механические колебания, которые распространяются в виде волн в твердых, жидких и газообразных средах. При распространении звука возможны явления отражения, преломления, поглощения, рефракции звука, а также дисперсии, дифракции и интерференции.

При попадании звуковой волны на границу двух сред с разным волновым сопротивлением происходит ее отражение, которое характеризуется коэффициентом отражения. Изменение направления распространения звуковой волны при переходе ее из одной среды в другую вызывает преломление. Явление преобразования энергии звуковой волны во внутреннюю энергию среды, в которой распространяется волна, называется поглощением звука. Оно обусловлено теплопроводностью, внутренним трением (вязкостью) и некоторыми релаксационными процессами, возникающими в среде при изменении ее давления и температуры в звуковой волне. Явление поглощения звука используется для исследования внутренней структуры различных веществ, а также для звукоизоляции. Высокими звукоизоляционными свойствами характеризуются волокнистые и пористые материалы (войлок, асбест, вата). Эти свойства зависят от природы и структуры материала.

Рефракция звука (изменение направления распространения волн в неоднородной среде) влияет на дальность и слышимость, а также на образование зон молчания (театр, мобильный телефон).В результате интерференции может происходить взаимное усиление или ослабление звука в зависимости от соотношения между фазами звуковых волн.

В зависимости от частоты колебаний звук условно подразделяют на слышимый (16 Гц…20 кГц), способный вызывать слуховые ощущения при воздействии на орган слуха человека, инфразвук (частота менее 16 Гц), ультразвук (20 кГц…1 ГГц) и гиперзвук (частота более 1 ГГц).

Важнейшими физическими характеристиками звука являются скорость, звуковое давление, интенсивность звука и его спектральный состав. В связи со слуховыми ощущениями, вызываемыми слышимыми звуками, пользуются такими характеристиками звука, как громкость, высота и тембр.

Скорость звука представляет собой скорость распространения в среде упругих волн небольшой интенсивности (в метрах в секунду). Она зависит от природы и строения материала, а также температуры. Скорость звука в воздухе при температуре окружающей среды 0°С равна 331 м/с, в воде — 1400, в стали — 5000 м/с. С повышением температуры и давления скорость звука возрастает. С повышением температуры воздуха на 1 °С скорость распространения звука в нем возрастает примерно на 0,6 м/с. В твердых телах скорость звука может отличаться в разных направлениях. Скорость звука в древесине вдоль волокон в 1,5 — 2 раза больше, чем в направлении поперек волокон.

Звуковое давление (Па) — возникает при прохождении звуковой волны в среде.

Интенсивность (сила) звука — это величина, определяемая энергией, переносимой звуковой волной сквозь поверхность, расположенную перпендикулярно направлению распространения волны: I=W/S. Единица измерения интенсивности звука в СИ — ватт на квадратный метр (Вт/м 2 ).

Субъективной характеристикой звука, связанной с его интенсивностью, является громкость звука, зависящая от частоты. С ростом интенсивности звука громкость возрастает по логарифмическому закону. На этом основании вводят понятие уровня интенсивности звука L, который выражается в децибелах (дБ):

где I₀— интенсивность звука на пороге слышимости, принимаемая для всех звуков равной 10 -12 Вт/м 2

Звук интенсивностью 10 -3 Вт/м 2 вызывает болевое ощущение. Интенсивность характеризует звук физически, а громкость — физиологически. Изменение уровня интенсивности звука на 10 дБ ощущается как двукратное изменение громкости.

Совокупность простых гармонических (синусоидальных) колебаний называется спектром звука. Спектр может быть сплошным и линейчатым.

Сплошной спектр содержит гармонические составляющие со всевозможными частотами и воспринимается ухом как шумы. Уровень шума от разных источников приведен в табл. 1.1.

Звук линейчатого спектра характеризуется совокупностью периодических колебаний с определенным соотношением частот, например музыкальные звуки, частоты составляющих колебаний которых являются целыми кратными числами частоты основного, наиболее медленного колебания.

Громкость звука является мерой силы слухового ощущения, вызываемого звуком. Она зависит от эффективного звукового давления и частоты звука. Для сравнения слуховых ощущений используют уровень громкости звука (фон)

где p₀ — эффективное звуковое давление для звука стандартной частоты v= 1 кГц, равного по громкости исследуемому звуку; р₀ = 20 мкПа — стандартный порог слышимости для звука частотой v = 1 кГц.

Высота звука — условная характеристика музыкального, т.е. периодического или почти периодического звука, определяемая человеком на слух и связанная в основном с частотой звука. Звуки определенной высоты называются тонами. Гармоническое звуковое колебание называется простым тоном. Тон, который создает акустическая система, когда колеблется с самой низшей для нее частотой, называется основным тоном.

С ростом частоты высота звука повышается. Звуковые частоты делятся на интервалы. За единицу интервала частот принята октава — внесистемная безразмерная единица частотного интервала. Одна октава равна частотному интервалу, при котором логарифм с основанием 2 отношения двух частот равен единице: 1 октава = lg₂(f₂/f₁) при f₂/f₁= 2, где f₂и f₁— частоты. Интервал имеет особое значение для музыкальных инструментов.

Некоторые материалы, например древесина, обладают способностью усиливать звук без искажения тона (резонирующая способность). Наивысшей резонирующей способностью характеризуется древесина резонансной ели, кавказской пихты и сибирского кедра, это имеет значение при выборе древесины для изготовления дек музыкальных инструментов.

2. Звук, его распространение, отражение от различных поверхностей. Звуковой резонанс

Физика звуковой волны

Понятие «звук» самым тесным образом связано с понятием «волна». Интересно, что это понятие, являясь привычным для абсолютно всех, у многих вызывает затруднения при попытке дать ему внятное определение. С одной стороны, волна – это что-то, что связано с движением, нечто, распространяющееся в пространстве, как, например, волны, расходящиеся кругами от брошенного в воду камня. С другой стороны, мы знаем, что лежащая на поверхности воды ветка почти не станет двигаться в направлении распространения волн от брошенного рядом камня, а будет в основном лишь колыхаться на воде. Что же переносится в пространстве при распространении волны? Оказывается, в пространстве переносится некоторое возмущение. Брошенный в воду камень вызывает всплеск – изменение состояния поверхности воды, и это возмущение передается от одной точки водоема к другой в виде колебаний поверхности. Таким образом, волна – это процесс перемещения в пространстве изменения состояния.

Звуковая волна (звуковые колебания) – это передающиеся в пространстве механические колебания молекул вещества (например, воздуха). Давайте представим себе, каким образом происходит распространение звуковых волн в пространстве. В результате каких-то возмущений (например, в результате колебаний диффузора громкоговорителя или гитарной струны), вызывающих движение и колебания воздуха в определенной точке пространства, возникает перепад давления в этом месте, так как воздух в процессе движения сжимается, в результате чего возникает избыточное давление, толкающее окружающие слои воздуха. Эти слои сжимаются, что в свою очередь снова создает избыточное давление, влияющее на соседние слои воздуха. Так, как бы по цепочке, происходит передача первоначального возмущения в пространстве из одной точки в другую. Этот процесс описывает механизм распространения в пространстве звуковой волны. Тело, создающее возмущение (колебания) воздуха, называют источником звука.

Привычное для всех нас понятие «звук» означает всего лишь воспринимаемый слуховым аппаратом человека набор звуковых колебаний. О том, какие колебания человек воспринимает, а какие нет, мы поговорим позднее.

Звуковые колебания, а также вообще все колебания, как известно из физики, характеризуются амплитудой (интенсивностью), частотой и фазой. В отношении звуковых колебаний очень важно упомянуть такую характеристику, как скорость распространения. Скорость распространения колебаний, вообще говоря, зависит от среды, в которой колебания распространяются. На эту скорость влияют такие факторы, как упругость среды, ее плотность и температура. Так, например, чем выше температура среды, тем выше в ней скорость звука. В нормальных (при нормальной температуре и давлении) условиях скорость звука в воздухе составляет приблизительно 330 м/с. Таким образом, время, через которое слушатель начинает воспринимать звуковые колебания, зависит от удаленности слушателя от источника звука, а также от характеристик среды, в которой происходит распространение звуковой волны. Немаловажно заметить, что скорость распространения звука почти не зависит от частоты звуковых колебаний. Это означает, среди прочего, что звук воспринимается именно в той последовательности, в какой он создается источником. Если бы это было не так, и звук одной частоты распространялся бы быстрее звука другой частоты, то вместо, например, музыки, мы бы слышали резкий и отрывистый шум.

Звуковым волнам присущи различные явления, связанные с распространением волн в пространстве. Перечислим наиболее важные из них.

Интерференция – усиление колебаний звука в одних точках пространства и ослабление колебаний в других точках в результате наложения двух или нескольких звуковых волн. Когда мы слышим звуки разных, но достаточно близких частот сразу от двух источников, к нам приходят то гребни обеих звуковых волн, то гребень одной волны и впадина другой. В результате наложения двух волн, звук то усиливается, то ослабевает, что воспринимается на слух как биения. Этот эффект называется интерференцией во времени. Конечно, в реальности механизм интерференции оказывается намного более сложным, однако его суть не меняется. Эффект возникновения биений используется при настройке двух музыкальных тонов в унисон (например, при настройке гитары): настройку производят до тех пор, пока биения перестают ощущаться.

Звуковая волна, при ее падении на границу раздела с другой средой, может отразиться от границы раздела, пройти в другую среду, изменить направление движения – преломиться от границы раздела (это явление называют рефракцией), поглотиться или одновременно совершить несколько из перечисленных действий. Степень поглощения и отражения зависит от свойств сред на границе раздела.

Энергия звуковой волны в процессе ее распространения поглощается средой. Этот эффект называют поглощением звуковых волн. Существование эффекта поглощения обусловлено процессами теплообмена и межмолекулярного взаимодействия в среде. Важно отметить, что степень поглощения звуковой энергии зависит как от свойств среды (температура, давление, плотность), так и от частоты звуковых колебаний: чем выше частота звуковых колебаний, тем большее рассеяние претерпевает на своем пути звуковая волна.

Очень важно упомянуть также явление волнового движения в замкнутом объеме, суть которого состоит в отражении звуковых волн от стенок некоторого закрытого пространства. Отражения звуковых колебаний могут сильно влиять на конечное восприятие звука – изменять его окраску, насыщенность, глубину. Так, звук идущий от источника, расположенного в закрытом помещении, многократно ударяясь и отражаясь от стен помещения, воспринимается слушателем как звук, сопровождающийся специфическим гулом. Такой гул называется реверберацией (от лат. «reverbero» – «отбрасываю»). Эффект реверберации очень широко используется в звукообработке с целью придания звучанию специфических свойств и тембральной окраски.

Способность огибать препятствия – еще одно ключевое свойство звуковых волн, называемое в науке дифракцией. Степень огибания зависит от соотношения между длиной звуковой волны (ее частотой) и размером стоящего на ее пути препятствия или отверстия. Если размер препятствия оказывается намного больше длины волны, то звуковая волна отражается от него. Если же размеры препятствия оказываются сопоставимыми с длиной волны или оказываются меньше ее, то звуковая волна дифрагирует.

Еще один эффект, связанный с волновым движением, о котором нельзя не вспомнить – эффект резонанса. Он заключается в следующем. Звуковая волна, создаваемая некоторым колеблющимся телом, распространяясь в пространстве, может переносить энергию колебаний другому телу (резонатору), которое, поглощая эту энергию, начинает колебаться, и, фактически, само становится источником звука. Так исходная звуковая волна усиливается, и звук становится громче. Надо заметить, что в случае появления резонанса, энергия звуковой волны расходуется на «раскачивание» резонатора, что соответственно сказывается на длительности звучания.

Проводящая среда вокруг источника звука играет немаловажную роль. Металл лучше проводит звук, даже лучше чем воздух. Поэтому клавиатуры в металлических корпусах требуют звукоизоляции в большей мере чем пластиковые. В твердых телах скорость распространения звука больше, это связано с тем, что молекулы в твердых телах расположены ближе и взаимодействие их сильнее.

Громкость звука зависит от амплитуды колебания. Чем больше амплитуда, тем сильнее звук. Соответственно, чем сильнее пользователь стучит по клавишам при печати, тем громче звучит клавиатура, что логично.

Отражение звуковых волн от границы раздела двух сред имеет очень большое практическое значение. На границе раздела двух сред звук не только отражается, но и поглощается при проникновении в другую среду. Энергия звуковых волн при этом частично превращается в энергию хаотического движения молекул среды. Так звуковая волна поглощается и рассеивается установленной шумоизоляцией в корпусе клавиатуры.

3. Вибрация. Реверберация.

Вибрация — механические колебания. Вибрация — колебание твердых тел. О вибрации также говорят в более узком смысле, подразумевая механические колебания, оказывающие ощутимое влияние на человека. В этом случае подразумевается частотный диапазон 1,6—1000 Гц.

Давайте рассмотрим схему распространения звука и вибрации в конструкции клавиатуры:

Реверберация — это процесс постепенного уменьшения интенсивности звука при его многократных отражениях

Реверберация представляет собой эффект отражения звука от поверхностей предметов, которые окружают источник звука.

При общении в закрытом помещении происходит отражение голосов от пола, стен, потолка, причем, эти отражения — слышимы, особенно если речь идет о большом и пустом помещении, к примеру, о спортивном зале или металлическом ангаре. При разговоре на открытом пространстве отражений практически не наблюдается, и соответственно нет эффекта реверберации.

Тембр реверберации зависит от двух основных параметров: времени между копиями сигналов и скорости падения громкости этих копий.

В случае с реальной акустической средой на эти два параметра оказывают влияние размер помещения и тип используемых материалов. К примеру, ковролин и поролон — хорошие поглотители звука, а керамическая плитка и стекло наоборот хорошо отражают звук.

Давайте рассмотрим эффект отражения сигнала на графике:

С помощью красной линии отображается прямой, оригинальный сигнал, который идет непосредственно от источника звука и поэтому имеет наибольшую интенсивность.

За ним следуют ранние отражения, то есть отражения от предметов, стен, пола и потолка. Они характеризуются довольно высокой интенсивностью и большими временными промежутками, поскольку длина путей, по которым отражения идут до слушателя, разные.

Ранними являются отражения, отставание которых от прямого сигнала не превышает 60 миллисекунд.

Первичные копии сигнала, дойдя до слушателя, продолжают свой путь последующих отражений. Поэтому после ранних отражений появляются так называемые переотражения, то есть повторные отражения от стен, пола, потолка, отличающиеся существенно меньшей интенсивностью и короткими временными промежутками. Эти промежутки настолько короткие, что происходит их объединение в один затухающий «хвост».

При незначительных звукопоглощающих свойствах материалов и достаточно солидных размерах помещения время реверберации обычно весьма продолжительно.

Также стоит отметить, что в случае использования реверберации нужно помнить, что высокие частоты затухают намного быстрее низких и средних.

Из этого мы можем сделать вывод, что если шумопоглощающая прокладка и не убирает реверберации, то как минимум меняет тональность издаваемого шума.

4. Что такое шум и как он измеряется?

Шум — беспорядочные колебания различной физической природы, отличающиеся сложностью временной и спектральной структуры.

Единицы измерения шума

Все мы знаем или слышали о такой единице измерения, как Белл (Б) или в 10 раз меньшая единица (она более удобна) – децибел (дБ). Но знаете ли вы, что децибел не только не единица измерения звука, он вообще не является единицей измерения, во всяком случае, в том смысле, как другие физические величины. Количество заключенной в звуке энергии, интенсивность звука в любой точке можно измерить как поток энергии, приходящейся на единичную площадку, и выразить, например, в ваттах на квадратный метр (Вт/м 2 ).

К примеру, звук, который может услышать человек в идеальных условиях с идеальным слухом равен 0,000 000 000 001 Вт/м 2 или 10 12 Вт/м 2 . А максимально громкий звук, который еще может слышать человек примерно 10 Вт/м 2 . Это шум рядом пролетающего реактивного самолета. Согласитесь, что разброс в десятки раз неудобен для вычисления. Поэтому было решено, что за эталон мощности было взято 10 12 Вт/м 2 . А увеличение этого параметра в 10 раз было названо Беллом. Т.е., если шум реактивного самолета превышает наш эталон в 10 13 раз, то это и есть 13 Белл или 130 дБ.

Если перейти к логарифму, то

Уровень интенсивности = 101g (ИИ/ЭИ) (дБ).

ИИ – измеренная интенсивность

ЭИ – эталонная интенсивность

Нужно иметь ввиду, что при увеличении шума в 2 раза, его уровень в дБ в 2 раза не увеличится, т.к. при удвоении числа его логарифм возрастает на 0,3.

Интенсивность типичных шумов (табл. 1.1)

Примерный уровень звукового давления, дБА	Источник звука и расстояние до него
160	Выстрел из ружья калибра 0,303 вблизи уха
150	Взлет лунной ракеты, 100 м
140	Взлет реактивного самолета, 25 м
120	Машинное отделение подводной лодки
100	Очень шумный завод
90	Тяжелый дизельный грузовик, 7 м Дорожный перфоратор (не заглушенный), 7 м
80	Звон будильника, 1 м
75	В железнодорожном вагоне
70	В салоне небольшого автомобиля, движущегося со скоростью 50 км/ч; квартирный пылесос, 3 м
65	Машинописное бюро Обычный разговор, 1 м
40	Учреждение, где нет специальных источников шума
35	Комната в тихой квартире
25	Сельская местность, расположенная вдали от дорог

Уровень звукового давления характерный для механической клавиатуры с усредненными параметрами находится примерно на отметке 50 дБа.

Восприятие звука человеческим ухом представляет собой сложный процесс. Человеческое ухо неодинаково реагирует на звуки с разными частотами. Чувствительность уха заметно увеличивается при частотах от 20 до 1000 Гц. Наибольшей чувствительностью человеческое ухо обладает в диапазоне частот от 1000 Гц до 4000 Гц, где она практически постоянна. После частоты 4000 Гц чувствительность уха снова уменьшается. Чтобы услышать низкий тон с частотой 50 Гц, требуется звуковое давление, в 100 раз превышающее звуковое давление, соответствующее тону с частотой 1000 Гц.

Уровень одинаковой громкости звуковых сигналов в фонах на разных частотах не соответствует уровню звукового давления в децибелах и совпадают они лишь на частоте 1000 Гц.

Частотные диапазоны:

25 – 120 – Бас

120 – 350 – Нижняя середина

350 – 2000 – Середина

2000 – 8000 – Верхняя середина

8000 – 12000 – Высокие

12000 – 20000 – Верхний диапазон высоких частот

Разделение слышимого диапазона на основные три группы

Терминология разделения слышимого спектра частот пришла к нам частично из музыкального, частично из научного миров и в общем виде она знакома практически каждому. Самое простое и понятное деление, которое может испытать частотный диапазон звука в общем виде выглядит следующим образом:

Низкие частоты. Границы диапазона низких частот находятся в пределах 10 Гц — 200 Гц. Нижняя граница начинается именно с 10 Гц, хотя в классическом представлении человек способен слышать от 20 Гц (всё что ниже попадает уже в область инфразвука), оставшиеся 10 Гц всё ещё могут частично прослушиваться, а также ощущаться тактильно в случае глубокого низкого баса и даже влиять на психологический настрой человека.

Средние частоты. Границы диапазона средних частот находятся в пределах 200 Гц — 2400 Гц. Средний диапазон всегда будет фундаментальным, определяющим и составлять фактически основу звука или муз композиции, потому его значимость трудно переоценить.

Высокие частоты. Границы диапазона высоких частот находятся в пределах 2400 Гц — 30000 Гц. Верхняя граница, как и в случае с низкочастотным диапазоном, получается несколько условной и также индивидуальной: среднестатистический человек не может слышать выше 20 кГц, однако встречаются редкие люди с чувствительностью до 30 кГц.

5. Приборы, стандарты и способы измерения уровня шума.

Шумомер — прибор для объективного измерения уровня звука. Не следует путать этот параметр с уровнем громкости. Не всякий прибор, измеряющий звук, является шумомером. Существует российские и международные стандарты, устанавливающие требования к этим приборам. В России действует стандарт ГОСТ 17187-2010 (IEC 61672-1:2002). В европейских странах действуют свои стандарты на шумомеры, однако все они также следуют требованиям стандартов МЭК. Особняком стоят США, где применяются стандарты ANSI (в частности ANSI S1.4), существенно отличающиеся от европейских.

Учитывая специфику, допустимые погрешности замеров в естественных условиях, в нашем случае лабораторных точностей не требуется и будет достаточно качественного микрофона в связке со специализированным программным обеспечением.

Программное обеспечение

SpectraPLUS – Мощный и эффективный анализатор звуков с возможностями измерения целого ряда значений.

Программа SpectraPLUS позволяет проводить FFT-анализ (известный также как быстрое преобразование Фурье) звукового сигнала в реальном времени с высоким разрешением. Точность выборки анализатора составляет 24 бита, алгоритм FFT обрабатывает записи до 1048576 отсчетов длиной, частота дискретизации достигает 200 кГц (в зависимости от возможностей звуковой карты эта величина может быть еще выше), а октавный анализ лежит в пределах от 1/1 до 1/96.

В качестве способа записи рабочих образцов звука в звукоизолированный бокс на одно и то же место устанавливалась клавиатура с разными образцами шумопоглощающей прокладки, после чего производилась запись тайпинга одной и той же контрольной фразы повторяемой несколько раз. Микрофон находился по центру над поверхностью клавиатуры. Записанные образцы были проанализированы с помощью SpectraPLUS а полученные графики наложены друг на друга для более удобного сравнения.

6. Химический состав материалов их типы, свойства и краткий обзор

Для начала рассмотрим схему классификации материалов для вибро и шумоизоляции:

Основные группы

(Виброизоляция) Вибродемпферы -Служат для преобразования механической энергии вибрации в тепловую, то есть попросту гасят вибрации.

(Шумоизоляция) Шумоизоляторы – Изолируют от шума и поглощают его в небольшой мере. Обычно вспененный пенополиэтилен (сплен, изолон) (больше служит теплоизолятором) или вспененный каучук (чуть больше шумоизолятор).

(Шумоизоляция) Шумопоглотители – Вспененный полиуретан (поролон) или подобные акценту от STP. Поглощают шум за счет своей открытой ячеистой структуры. Тонкие шумопоглотители по типу Бипласта 5мм – используются как прокладочный или антискриповый материал.

Шумоизолятор: Закрытая пористая ячейка Смысл: отражать звук

Шумопоглотитель: Открытая пористая ячейка. Смысл: гасить в себе энергию приходящего звука

Шумоизоляция бывает двух типов:

1. Шумоизоляторы (защищены от влаги, имеют высокую плотность) Являются плотными материалами, имеют гладкую поверхность и закрытую пористую структуру, они предназначены для отражения звуковых волн.

Обычно изготавливают из вспененного полиэтилена (сплен, тв плен). Полиэтилен может вспениваться химическим или физическим способом. Материалы по внешнему виду сильно отличаются, но на шумоизолирующих свойствах это не сказывается.

или вспененного каучука (soft)

2. Шумопоглотители (более эффективны, боятся влаги, могут легко сжиматься до нескольких миллиметров по толщине). Имеют открытую пористую структуру, через них может свободно проходить воздух. Такие материалы поглощают звуковые волны которые распространяются в воздухе.

Обычно изготавливают из вспененного полиуретана (поролон). Из поролона продаются под названиями: Бипласт, битапласт, герметон, soundwave. Или из войлока синтетического / натурального. Из войлока продаются под названиями: Кайман, фелтон или просто войлок.

Вибродемпферы делаются из разного рода силиконов и силиконовых листов.

ППУ

Пенополиуретан (ППУ) – это очень технологичный и эксплуатационно гибкий материал, в зависимости от конечной плотности и различных физических свойств он широко используется во многих отраслях современной промышленности. Существует два основных типа вспененного полиуретана, принципиально отличных друг от друга своим строением, а также набором физико-механических характеристик и свойств. Это открытоячеистые и закрытоячеистые.

Закрытоячеистый ППУ – представляет собой жесткую и прочную губку с миллионами закрытых, изолированных друг от друга ячеек-пузырьков, наполненных газом, образовавшимся в результате взаимодействия компонентов ППУ, приводящая к подъему и расширению пены в объеме до 30 раз по сравнению с жидкой композицией и последующей полимеризацией. Этот газ имеет более низкую теплопроводность, чем воздух. И именно то, что более 92% материала составляет тот самый газ (и всего менее 8% – твердое вещество), делает его лидером среди всех ныне существующих теплоизоляционных материалов. Коэффициент теплопроводности ППУ с закрытыми ячейками не превышает величины 0,019-0,03 Вт/(м*К).

Открытоячеистый ППУ – как мы понимаем из названия, представляет собой материал из открытых взаимосвязанных, так сказать, «взломанных» пузырьков, наполненных воздухом, что делает его легким, «дышащим» и эластичным. Пенополиуретан с открытыми ячейками имеет ярко выраженные эластичные свойства, отлично и быстро вспенивается, увеличиваясь в объеме до 100 раз. Плотность открытоячеистых ППУ колеблется в пределах 8-20 кг/м

Тестируемые материалы

Выбор данных материалов обусловлен легкой доступностью в продаже, частотой использования и возможностью установки в корпус клавиатуры по толщине. Материалы имеют немного отличающуюся открыто пористую и волокнистую структуру, что хорошо для сравнительных тестов. Из открытых источников рекомендовано брать шумоизоляцию не толще 5 мм. За исключением Бипласта, который может сжиматься практически полностью.

Список выбранный для тестирования материалов:

Поролон эластичный SPG 2240 1000*2000*3 мм (чёрный)

Звукопоглощение Бипласт 5 К (Лист 0,75*1)

Фоамиран 60*70см 1,2мм

Маделин Н лист (0.6х.0.5м) толщина 2мм StP – STP

Вид: Шумопоглотители Состав: Эластичный пенополиуретан, мягкая полиуретановая пена, состоящая на 90 % из воздуха Структура: открытоячеистая, крупнопористая Гигроскопичные свойства: не превышает 7% от сухого веса. Коэффициент звукопоглощения: Коэффициент звукопоглощения α, в октавных полосах со среднегеометрическими частотами, Гц

125 Гц	250 Гц	500 Гц	1000 Гц	2000 Гц	4000 Гц	8000 Гц
0,20	0,22	0,30	0,75	0,77	0,71	0,60

Вид: Шумопоглотители Состав: Вязкоэластичный вспененный полиуретан. Пропитка-латекс. Структура: открытоячеистая, вязкая Гигроскопичные свойства: Влагостойкий Коэффициент звукопоглощения: Самый высокий показатель звукопоглощения в частотном диапазоне: от 1000 до 6300 Гц; Коэффициент звукопоглощения до 85 %. Обладает высокими механическими характеристиками: - высокий коэффициент звукопоглощения (0,43 ед.); - высокое значение собственных внутренних потерь (0,69 ед.).

Вид: Шумопоглотители Состав: Синтетический материал. Этиленвинилацетат (сокр. ЭВА). Получают его в итоге сополимеризации этилена и мономера винилацетата. Структура: открытоячеистая, мелкопористая. Гигроскопичные свойства: Минимальные, не восприимчив к влаге. Коэффициент звукопоглощения: нет данных

Вид: Шумопоглотители (прокладочный уплотнительный материал) Состав: Уплотнительный декоративный материал на основе нетканого полотна; Структура: открытоячеистая, волокнистая Гигроскопичные свойства: Хорошо впитывает влагу Коэффициент звукопоглощения: нет данных

Вид: Виброизоляция Состав и свойства: Двухкомпонентная силиконовая резина: жидкий силикон и отверждающее средство на основе олова (катализатор); Линейная усадка(%) ≤0,2 Относительная плотность 1,08 Относительное удлинение при разрыве ≥520 Сопротивление раздиру ≥20 Условная прочность при разрыве ≥18 Усредненная вязкость при 20 °С - 15000 Твердость по Шору A - 10 Структура: закрытая, монолитная, вязкая, тягучая. Гигроскопичные свойства: Влагозащищенный

7. Способы и места установки в клавиатуру

Места установки:

Нижняя крышка корпуса / между печатной платой (PCB) и плейтом.

По слоям:

1. Виброизоляция – Устанавливается между плейтом и PCB заполняя все пространство, буквально “обволакивая” свитчи, для лучшего гашения вибраций.

2. Шумопоглотитель – Устанавливается в полость корпуса находящуюся под PCB в корпусе для гашения возникающих ревербераций.

Неправильно применение виброизоляционного материала может привести к повышению вибрации и структурного шума.

Рекомендовано брать шумоизоляцию не толще 5 мм, хотя в некоторые корпуса легко помещается и Бипласт 10 мм из-за его особенности сжиматься практически в ноль. Бывают случаи, что с трудом можно уложить и 2-3 миллиметровый материал., в таких ситуациях поможет только установка вибродемпфера, т.к. шумопоглощающая прокладка не даст совершенно никакого эффекта.

Шумоизоляция отличается в основном лишь качеством и плотностью.

Мокрый изолятор становится хорошим проводником шума и теряет свои полезные свойства.

Важна ли форма и расположение вибро- и шумопоглощающего материала?

Бытует мнение, что устанавливать шумоизоляцию необходимо в шахматном порядке, якобы это даст эффект лучшего рассеивания. К сожалению это справедливо лишь для автомобильной и прочей акустики с большими объемами пространства, в клавиатуре же заметного эффекта этот способ установки не даст.

Когда необходима вибро и шумоизоляция клавиатуры?

В большей степени виброизоляция необходима при тонком корпусе, когда корпус состоит из алюминия или других металлов. Но чтобы рекомендовать или нет установку такой модификации нужно ориентироваться на конкретную модель клавиатуры. В худшем случае ничего не измениться.

Пример необходимости виброизоляции:

Тестирование заливки силиконового демпфера в корпус KBDFANS TOFU60 ALUMINUM 60%