Chacun de vous est familier avec un phénomène sonore tel qu'un écho. L'écho se forme à la suite de la réflexion du son provenant de divers obstacles - les murs d'une grande pièce vide, une forêt, les voûtes d'une grande arche dans un bâtiment.
Un écho n'est entendu que lorsque le son réfléchi est perçu séparément du son parlé. Pour cela, il faut que l'intervalle de temps entre l'impact de ces deux sons sur le tympan soit d'au moins 0,06 s.
Déterminons combien de temps après avoir prononcé une courte exclamation, le son réfléchi par le mur atteindra votre oreille si vous vous tenez à une distance de 3 m de ce mur.
Le son doit parcourir la distance jusqu'au mur et en arrière, soit 6 m, se propageant à une vitesse de 340 m/s. Cela prendra le temps t = s/v, c'est-à-dire t \u003d 6m / 340m / s \u003d 0,02 s.
L'intervalle entre les deux sons que vous percevez - parlé et réfléchi - est bien inférieur à ce qui est nécessaire pour entendre l'écho. De plus, la formation d'un écho dans la pièce est empêchée par les meubles, rideaux et autres objets qui s'y trouvent, qui absorbent partiellement le son réfléchi. Par conséquent, dans une telle pièce, la parole des personnes et les autres sons ne sont pas déformés par l'écho et sonnent clairement et lisiblement.
Les grandes pièces semi-vides avec des murs, des sols et des plafonds lisses ont tendance à très bien refléter les ondes sonores. Dans une telle pièce, du fait de l'incursion des ondes sonores précédentes sur les suivantes, une superposition de sons est obtenue, et un grondement se forme. Pour améliorer les propriétés sonores grandes salles et le public, leurs murs sont souvent recouverts de matériaux insonorisants.
Sur la propriété du son d'être réfléchi par surfaces lisses l'action d'un klaxon est basée - un tuyau en expansion, généralement de section ronde ou rectangulaire. Lors de l'utilisation d'un klaxon, les ondes sonores ne se dispersent pas dans toutes les directions, mais forment un faisceau étroit, grâce auquel la puissance sonore augmente et se propage sur une plus grande distance.Quelques échos multiples célèbres : à Woodstock Castle en Angleterre, l'écho répète clairement 17 syllabes. Les ruines du château de Derenburg près de Halberstadt ont donné un écho de 27 syllabes, qui, cependant, était silencieux depuis qu'un mur a été dynamité. Les rochers, étalés en forme de cercle près d'Adersbach en Tchécoslovaquie, répètent en un certain endroit, trois fois 7 syllabes ; mais à quelques pas de ce point, même le bruit d'un coup de feu ne donne aucun écho. Un écho très multiple a été observé dans un château (aujourd'hui disparu) près de Milan: un coup de feu tiré d'une fenêtre de dépendance a été répété 40 à 50 fois, et un mot fort - 30 fois ... Dans un cas particulier, l'écho est la concentration du son en le réfléchissant sur des surfaces courbes concaves. Ainsi, si la source sonore est placée dans l'un des deux foyers de la voûte ellipsoïdale, alors les ondes sonores sont captées dans son autre foyer. Ceci explique, par exemple, le fameux " oreille de Dionysos"à Syracuse - une grotte ou un renfoncement dans le mur, d'où chaque mot prononcé par les prisonniers pouvait être entendu dans un endroit éloigné. Une église en Sicile avait une propriété acoustique similaire, où dans un certain endroit on pouvait entendre chuchoté Les mots dans On connaît également à cet égard le temple mormon du lac salé en Amérique et les grottes du parc du monastère d'Oliva près de Dantzig.À Olympie (Grèce) dans le temple de Zeus, le "Porche de l'écho" a survécu jusqu'à ce jour Dans celui-ci, la voix est répétée 5 ... 7 fois.En Sibérie, il y a un endroit étonnant sur la rivière Lena au nord de Kirensk.Le relief des côtes rocheuses y est tel que l'écho des klaxons des bateaux à moteur le long de la rivière peut être répété jusqu'à 10 voire 20 fois (dans des conditions météorologiques favorables). Un tel écho est parfois perçu comme un son qui s'estompe progressivement, et parfois comme un son flottant dans différentes directions. Des échos multiples peuvent également être entendus sur le lac Teletskoïe dans les montagnes de l'Altaï. Ce lac mesure 80 km de long et seulement quelques kilomètres de large ; ses rives sont hautes et escarpées, couvertes de forêts. Un coup de feu ou un cri aigu génère ici jusqu'à 10 signaux d'écho qui retentissent pendant 10 ... 15 s. Il est curieux que souvent les réponses sonores apparaissent à l'observateur comme venant de quelque part au-dessus, comme si l'écho était capté par les hauteurs côtières.
En fonction du terrain, de l'emplacement et de l'orientation de l'observateur, des conditions météorologiques, de la période de l'année et du jour, l'écho change de volume, de timbre et de durée ; le nombre d'itérations change. De plus, la fréquence de la réponse audio peut également changer ; elle peut être supérieure ou, au contraire, inférieure à la fréquence de l'original signal sonore.
Il n'est pas si facile de trouver un endroit où l'écho est clairement audible ne serait-ce qu'une seule fois. En Russie, cependant, il est relativement facile de trouver de tels endroits. Il y a beaucoup de plaines entourées de forêts, beaucoup de clairières dans les forêts ; cela vaut la peine de crier fort dans une telle clairière pour qu'un écho plus ou moins distinct vienne du mur de la forêt.
Comme dans tout processus ondulatoire, lorsque les ondes sonores tombent sur un obstacle de taille limitée, en plus des interférences, leur réflexion est observée (Fig. 1.10). Dans ce cas, les angles d'incidence et de réflexion sont égaux. Par conséquent, les surfaces planes et convexes diffusent le son (Fig. 1.10 a, b et c.), tandis que les surfaces concaves le focalisent et le concentrent à un certain point (Fig. 1.10 d).
Fig.1.10 Réflexion des ondes sonores sur les surfaces diverses formes
Lorsque les ondes tombent à la frontière de deux milieux (Fig. 1.11), une partie de l'énergie sonore est réfléchie et une partie passe dans le second milieu.
Riz. 1.11 Réflexion et propagation des ondes à la frontière de deux milieux
Selon la loi de conservation de l'énergie, la somme des temps écoulés E passé. et reflété E nég. l'énergie est égale à l'énergie de l'onde incidente pavé E, , c'est à dire.
| Epad \u003d Eotr. + Éprosh. | (1.59) |
Divisez les côtés droit et gauche de la formule par E pad .
1 = (E nég./Epad) +(Eprosh / Epad)
Les termes du rapport ci-dessus indiquent quelle proportion de l'énergie incidente a été réfléchie et quelle proportion a été transmise. Ce sont les coefficients de réflexion et de transmission. En introduisant pour eux les notations η et τ, respectivement, on obtient
La figure 1.12 montre l'évolution des coefficients de réflexion et de transmission en fonction du rapport des impédances acoustiques des milieux adjacents. On peut voir sur le graphique que la valeur des coefficients ne dépend que de la valeur absolue
la valeur absolue des rapports des impédances acoustiques des milieux, mais ne dépend pas de laquelle de ces impédances est la plus grande. Cela peut expliquer le fait que le son se propageant dans n'importe quel mur massif subit la même réflexion de l'interface avec environnement aérien, qui est le son se propageant dans l'air, lorsqu'il est réfléchi par ce mur.
Riz. 1.12. Chances η Et τ en fonction du rapport des impédances acoustiques des milieux adjacents (Z 1 /Z 2)
Dans un certain nombre de cas, il est intéressant de savoir comment la pression acoustique ou la vitesse vibratoire des particules va changer lors du passage à travers la frontière de deux milieux. Étant donné que l'intensité de l'énergie sonore est proportionnelle aux carrés de la pression acoustique et de la vitesse de vibration, il est évident que le coefficient de réflexion pour la pression et la vitesse peut être trouvé par la formule
Les formules ci-dessus pour les coefficients de réflexion et de transmission peuvent être utilisées dans les calculs des guides sonores unidimensionnels lorsque leur section transversale change (Fig. 1.13), si la surface de la section transversale S1 Et S2 pas trop différent. À
Fig.1.13. Modification des sections du guide sonore
Absorption acoustique
Absorption acoustique (amortissement, dissipation) - la transformation de l'énergie sonore en chaleur. Elle est causée à la fois par la conductivité thermique et la viscosité (absorption classique) et par la réflexion intramoléculaire. À de très grandes amplitudes, qui ne se produisent qu'à proximité de sources sonores très puissantes ou lors d'un impact supersonique, des processus non linéaires se produisent, entraînant une distorsion de la forme d'onde et une meilleure absorption.
Pour le son dans les gaz et les liquides, l'absorption est pratiquement importance uniquement lorsque le son parcourt de longues distances (au moins quelques centaines de longueurs d'onde) ou lorsque des objets de très grande surface sont rencontrés sur le trajet du son.
Considérez le processus du son traversant un obstacle (Fig. 1.14). Énergie sonore incidente E pad . est divisée en énergie réfléchie par l'obstacle Mi négatif absorbé dedans E absorber et l'énergie a traversé les obstacles
D'après la loi de conservation de l'énergie
Fig.1.14. Répartition de l'énergie lors de l'incidence du son sur un obstacle.
Ce processus peut être estimé par les rapports des énergies transmises, absorbées et réfléchies à l'énergie incidente sur l'obstacle :
τ = E passé. / E pad; η = E nég. / E pad; α = E absorber. / E pad; (1.67)
Comme mentionné ci-dessus, les deux premiers rapports sont appelés coefficients de transmission τ et reflets η . Le troisième coefficient caractérise la part d'énergie absorbée et est appelé coefficient d'absorption α. Évidemment, de (1.66) il résulte
| α + η + τ = 1 | (1.68) |
L'absorption acoustique est due à la transformation de l'énergie vibratoire en chaleur due aux pertes par frottement dans le matériau. Les pertes par frottement sont élevées dans les matériaux fibreux poreux et lâches. Les structures faites de tels matériaux réduisent l'intensité des ondes sonores réfléchies par la surface. Les absorbeurs de son situés à l'intérieur de la pièce peuvent également réduire l'intensité du son direct s'ils sont situés sur le trajet des ondes sonores.
Résonateurs.
Le soi-disant résonateur peut servir d'absorbeur efficace d'ondes sonores et, dans certains cas, d'amplificateur. Sous le poney résonateur
un système de type "masse-ressort" est en cours de développement, dans lequel le rôle de la masse oscillante est joué par la masse d'air dans un trou étroit ou dans la fente de la plaque, et le rôle du ressort
est le volume d'air élastique dans la cavité derrière la plaque. Une représentation schématique du résonateur de Helmholtz est illustrée à la Fig. 1.15
Riz. 1.15. Résonateur de Helmholtz
Considérez le résonateur à air le plus simple, c'est-à-dire un vaisseau aux parois rigides et au col étroit. Lorsqu'une onde sonore d'une certaine fréquence tombe dessus, le "bouchon" d'air dans la gorge du vaisseau entre en mouvement oscillatoire intense. La vitesse vibratoire des particules dans la gorge est plusieurs fois supérieure à la vitesse vibratoire dans un champ sonore libre. ξ . Dans le volume interne du résonateur à ce moment, la pression augmente en conséquence R . Si vous amenez un tube dans la cavité interne du résonateur, le son perçu sera plus fort.
Dans le même temps, avec des pertes par frottement suffisamment importantes, le résonateur peut agir non pas comme un amplificateur, mais comme un absorbeur d'énergie sonore. Si une couche de matériau insonorisant est introduite dans la gorge du résonateur, l'absorption augmentera sensiblement.
Fréquence circulaire naturelle o avec masse m sur un ressort avec raideur s peut être trouvé par la formule bien connue
des retouches dont la valeur dépend de la forme du col et de l'aire de sa section transversale. Ainsi, la fréquence propre du résonateur est définie comme
| fo= | donc | S | (1.72) | ||||
| 2π | V( je+je je+la) | ||||||
Dans de tels systèmes résonnants, en présence d'une source sonore externe, l'air enfermé dans la cavité oscille avec elle à l'unisson avec une amplitude qui dépend du rapport entre les valeurs des périodes d'oscillations naturelles et forcées. Lorsque la source est éteinte, le résonateur restitue les oscillations accumulées à l'intérieur, devenant pour un court instant une source secondaire.
Selon les caractéristiques, le résonateur peut soit amplifier soit absorber les vibrations sonores à une fréquence particulière.
L'absorption acoustique du résonateur est décrite à l'aide de la caractéristique conditionnelle section insonorisante A . On entend par surface de section conditionnelle perpendiculaire à la direction de propagation de l'onde incidente, à travers laquelle une onde libre (en l'absence de résonateur) transmet une puissance égale à celle absorbée par le résonateur.
Supposons que les dimensions du résonateur soient petites devant la longueur de l'onde incidente. Alors, en première approximation, on peut négliger la diffusion de l'énergie sonore sur le corps du résonateur. Si nous prenons le trou du résonateur fermé acoustiquement de manière rigide, alors la pression acoustique dans le cou p h = p l , et la vitesse vibratoire υ = p h / Z h (si le résonateur est à l'écran, alors le multiplicateur sera ajouté dans les formules ci-dessus 2 ).
L'impédance du col du résonateur est la somme des pertes internes R je , résistance aux radiations actives R r et les réactances de masse et d'élasticité.
2. ACOUSTIQUE INDUSTRIELLE
Définition 1
Écho - phénomène physique, qui consiste en l'acceptation par l'observateur d'une onde réfléchie par des obstacles (électromagnétiques, sonores, etc.)
Un écho est le même reflet, seul le miroir réfléchit la lumière, et dans le cas d'un écho, le son. Tout obstacle peut devenir un miroir pour le son. Plus le son est aigu et abrupt, plus l'écho est distinct. La meilleure façon d'évoquer un écho est d'applaudir dans vos mains. Une voix masculine grave est mal réfléchie et une voix aiguë donne un écho distinct.
Un écho peut être entendu si le son est émis sur place, entouré de collines ou grands bâtiments.
phénomène acoustique
Les ondes acoustiques rebondissent sur les murs et autres surfaces dures telles que les montagnes. Lorsque le son se déplace à travers un milieu qui n'a pas de constante propriétés physiques, il peut être réfracté.
Figure 1. Explication du fonctionnement de l'écho
L'oreille humaine ne peut pas distinguer l'écho du son d'origine si le retard est inférieur à $1/15$ de seconde.
La force de l'écho est souvent mesurée en dB de niveaux de pression acoustique (SPL) par rapport à l'onde transmise elle-même. Les échos peuvent être souhaitables (comme dans le sonar) ou indésirables (comme dans les systèmes téléphoniques).
La réflexion des ondes sonores sur les surfaces dépend également de la forme de la surface. surfaces planes réfléchissent les ondes sonores, de sorte que l'angle auquel l'onde s'approche de la surface est égal à l'angle auquel l'onde quitte la surface.
La réflexion des ondes sonores sur des surfaces courbes conduit à un phénomène plus intéressant. Les surfaces courbes de forme parabolique ont pour habitude de focaliser les ondes sonores en un point. Les ondes sonores réfléchies par les surfaces paraboliques concentrent toute leur énergie en un point de l'espace ; à ce stade, le son est amplifié. Scientifiques pendant longtemps On pensait que les hiboux avaient des disques sphériques sur leurs visages qui pouvaient être utilisés pour collecter et réfléchir le son.
Utilisation de la réflexion sonore
La vitesse du son dans l'eau est différente de celle dans l'air. Considérez le fonctionnement de l'échosondeur. Il émet un son aigu qui, traversant la colonne d'eau, atteint le fond de la mer, se réfléchit et revient sous forme d'écho. L'échosondeur l'attrape et calcule la distance jusqu'au fond de la mer.
Figure 2. Fonctionnement du sondeur
La réflexion sonore est utilisée dans de nombreux appareils. Par exemple, haut-parleur, klaxon, stéthoscope, appareil auditif, etc.
Le stéthoscope est utilisé pour entendre les sons des organes internes du patient ; à des fins de diagnostic. Il fonctionne selon les lois de la réflexion sonore.
Les chauves-souris utilisent des ondes ultrasonores à haute fréquence (longueur d'onde courte) afin d'améliorer leur capacité à chasser. Une proie typique des chauves-souris est le papillon de nuit, un objet pas beaucoup plus gros que la chauve-souris elle-même. Les chauves-souris utilisent des techniques d'écholocation ultrasonique pour localiser leurs proches dans les airs. Mais pourquoi l'échographie ? La réponse à cette question réside dans la physique de la diffraction. Comme la longueur d'onde devient plus courte que l'obstacle qu'elle rencontre, l'onde n'arrive plus à se dissiper autour d'elle et est donc réfléchie. Les chauves-souris utilisent des ondes ultrasonores dont la longueur d'onde est inférieure à la taille de leur proie. Ces ondes sonores entreront en collision avec la proie, et au lieu d'être diffractées autour de la proie, elles rebondiront sur la proie, permettant à la souris de chasser avec écholocation.
Pendant la leçon, chacun pourra se faire une idée du sujet «Réflexion des vagues. Résonance sonore. Dans cette leçon, nous allons explorer un phénomène aussi intéressant de réflexion d'onde qu'un écho, et calculer les conditions nécessaires à son apparition. Nous réaliserons également une expérience fascinante avec un diapason musical afin de mieux comprendre ce qu'est la résonance sonore.
Nous terminons donc le chapitre 7 - "Oscillations et ondes" - avec des phénomènes intéressants. C'est le reflet des ondes et la résonance sonore. Vous savez que dans une pièce vide, dans les montagnes ou sous les voûtes d'un bâtiment d'une sorte d'arche, vous pouvez observer un phénomène merveilleux - un écho. Qu'est-ce qu'un écho ? Écho- C'est le phénomène de réflexion des ondes sonores des objets denses. Quand une personne peut-elle entendre un écho ? Il s'avère que pour qu'une personne puisse distinguer (son appareil auditif était capable de distinguer deux signaux), il faut que la temporisation soit de 0,06 s. Calculons : la vitesse de propagation des ondes est de 340 m/s dans l'air, vous pouvez donc calculer la distance à l'objet à partir duquel l'onde sera réfléchie. Cela devrait être clair : en multipliant la vitesse par cette valeur, le retard, on obtient 20,4 m. L=V. ∆t = 340 m/s 0,06 m/s = 20,4 m.
Mais, vous comprenez que la réflexion est le mouvement d'une onde dans une direction, puis elle subit une réflexion dans l'autre, de sorte que la distance que nous avons reçue peut être divisée en deux en toute sécurité et mettre une personne à distance de la barrière à partir de laquelle le son sera réfléchi, puis vous pourrez écouter en écho. Il faut aussi une surface bien réfléchissante, car si, par exemple, la pièce est assez grande, elle est encombrée de beaucoup de meubles ( meubles rembourrés) et les gens, alors tous ces objets absorbent l'onde sonore, de sorte que l'écho est indiscernable. Il n'y a tout simplement pas assez d'énergie pour qu'une onde sonore ait ce phénomène. Où ce phénomène est-il utilisé ? Bien sûr, c'est amusant d'écouter l'écho dans les montagnes, c'est super de chanter sous les arcs musicaux qui sont souvent utilisés dans l'architecture du 19e siècle, mais il existe de vrais appareils qui utilisent cette propriété. Par exemple, un haut-parleur. Si je croise maintenant mes mains comme ça, vous avez immédiatement entendu que mon son est devenu plus puissant, bien que les gens qui se seraient tenus à mes côtés, le son de mon cordes vocales serait beaucoup plus calme. Par conséquent, un phénomène intéressant se produit : les parois du pavillon amplifient l'onde sonore, augmentant la puissance du signal. Qu'est-ce qu'un échosondeur ? Ce mot composé, dérivé de deux mots: "écho" - "réflexion", "lot" - un appareil qui mesure la profondeur d'un réservoir. Un lot est une simple pierre sur la corde d'un pêcheur. L'échosondeur pour les personnes qui naviguent sur de grands navires est disposé comme suit. Sous le côté du navire se trouve un récepteur et une source d'ondes sonores. Une onde sonore part de la source de l'onde sonore, atteint le fond, est réfléchie et pénètre dans le récepteur des ondes sonores. Le temps est fixe, qui s'écoule entre le signal et son retour de retour. ∆t = 0,06 s. Et la distance, qui est obtenue par un tel calcul, est divisée en deux, et nous trouvons la profondeur du réservoir. Les échosondeurs sont utilisés non seulement aux fréquences sonores, mais également aux infrasons ou aux ultrasons. Nous avons discuté dans le dernier paragraphe de son utilisation. Le principe est le même. Le phénomène de réflexion des ondes sonores est utilisé. Regardons un autre phénomène sonore intéressant - ce résonance sonore. Je vous rappelle: c'est le phénomène d'augmentation de l'amplitude des oscillations forcées, tout en observant la fréquence des oscillations naturelles du système et des oscillations forcées. Je vous rappelle : tout système qui peut osciller a sa propre fréquence. Cette fréquence est formée par la conception même de l'appareil, qui peut osciller. Si nous faisons osciller cet appareil avec une force extérieure qui a juste une telle fréquence d'oscillations forcées n 0 = n VIN, il y aura une augmentation des vibrations sonores, car une augmentation de l'amplitude entraîne une augmentation de la puissance sonore, énergétique. Pour expliquer ce phénomène en détail afin que vous compreniez ce que cela signifie résonance, nous travaillerons avec dispositif spécial qui est utilisé en musique. Cet appareil s'appelle un diapason. La fourche est en acier et a une fréquence naturelle correspondant à la note la dans cette expérience. Une boîte de résonateur spéciale a été sélectionnée pour ce diapason, par essais et erreurs, par des calculs mathématiques. Quel genre de boîte est-ce? Ce qu'il fait avec le son, nous allons maintenant le voir en pratique. Devant nous se trouve un diapason. J'ai un marteau en caoutchouc avec lequel on va provoquer des vibrations. Ce diapason aura des vibrations forcées. Ici, d'abord, afin de comprendre à quoi sert la boîte à résonateur, je vais essayer de couvrir feuille ordinaire caisse de résonance en papier comme celle-ci. Écoutez attentivement ce qui arrivera au son lui-même. Si vous remarquez quelque chose, renouvelons l'expérience. Je vais essayer de provoquer une oscillation plus grave en augmentant l'énergie dans le système. Ainsi, la boîte à résonateur augmente l'amplitude des oscillations résultantes. Comment fait-il ? Il redistribue l'énergie que je mets dans le système. Cela signifie que le diapason dans la boîte à résonateur fait vibrer la table d'harmonie même de la boîte et l'air qui se trouve à l'intérieur de cette boîte. Les vibrations s'additionnent et amplifient le son. Dans le même temps, la loi de conservation de l'énergie est remplie dans notre pays, c'est-à-dire avec une boîte à résonateur, le diapason sonne moins dans le temps, mais plus fort. Continuons l'expérience. Voyons comment nous pouvons arrêter cette vibration sonore. J'ai touché les pattes du diapason et le coefficient d'atténuation de ce système est devenu très important, l'oscillation s'est arrêtée presque instantanément. Encore une fois, aucune hésitation. Maintenant nous allons voir le phénomène de résonance, que se passe-t-il si je prends exactement le même, ayant exactement la même fréquence sonore, un autre diapason. Regardez, les boîtes de résonateur seront dirigées l'une vers l'autre pour que l'entrefer soit insignifiant et pour que les vibrations ne s'estompent pas, et l'effet est maximal. Donc, je provoque des oscillations dans ce diapason. L'onde sonore se propage, va dans l'espace, et si la fréquence est exactement la même pour le diapason, alors une résonance devrait se produire. Voyons, j'entends le deuxième diapason. Répétons-le encore : le diapason sonne, il a cessé de sonner. Vérifions, j'ai peut-être un diapason spécial sur la gauche. Essayons de provoquer une oscillation dans le deuxième diapason et écoutons ce qui se passera avec le premier. Il y a des fluctuations. Ainsi, la condition de résonance est remplie : les fréquences coïncident, l'amplitude augmente. Le système réagit sélectivement aux fluctuations externes. Sélectionne uniquement la fréquence sur laquelle il est syntonisé. Vérifions cela, si je change maintenant la fréquence d'oscillation d'un des diapasons (je viens de visser l'embrayage ici), le corps qui oscille va changer de masse, et sa fréquence va changer. Il n'y aura donc pas de résonance. J'en suis sûr, vérifions par expérience s'il en est vraiment ainsi. Il n'y a pas de résonance, et donc il n'y avait pas de son non plus. Voyons, si je le fais dans le sens inverse, si ce diapason sonne, alors peut-être que je te trompe, on verra bien. Il n'y avait pas de résonance.
Donc, aujourd'hui, nous avons étudié des phénomènes sonores importants. C'est la réflexion des ondes sonores et le phénomène de résonance sonore. Merci pour votre attention.
Propagation du son dans l'espace libre
Si la source sonore omnidirectionnel En d'autres termes, l'énergie sonore se propage uniformément dans toutes les directions, comme le son d'un avion dans l'espace aérien, puis la répartition de la pression acoustique ne dépend que de la distance et diminue de 6 dB à chaque doublement de la distance à la source sonore.
Si la source sonore dirigé, comme par exemple un klaxon, le niveau de pression acoustique dépend à la fois de la distance et de l'angle de perception par rapport à l'axe d'émission sonore.
Interaction du son avec un obstacle
Les ondes sonores (audibles), rencontrant un obstacle sur leur chemin, sont partiellement absorbées par celui-ci, partiellement réfléchies par celui-ci, c'est-à-dire qu'elles sont réémises par l'obstacle dans la pièce et la traversent partiellement.
Il convient de noter immédiatement que pourcentage de ces processus seront différents pour des ondes sonores de longueurs différentes, ce qui est dû aux particularités du comportement des ondes HF, MF et LF. En outre, un rôle important est joué par les caractéristiques de l'obstacle lui-même, telles que son épaisseur, la densité du matériau à partir duquel il est fabriqué, ainsi que les propriétés de surface (lisse/gaufré, dense/lâche).
Propagation du son dans un espace clos
La propagation du son dans un espace clos (en conditions intérieures) est fondamentalement différente des conditions de sa propagation dans l'espace libre, car une onde sonore rencontre de nombreux obstacles sur son chemin (murs, plafond, sol, mobilier, objets d'intérieur, etc. ).
Les nombreuses réflexions résultantes du son principal interagissent à la fois avec le son direct provenant directement du haut-parleur et atteignant les oreilles de l'auditeur de la manière la plus courte, c'est-à-dire en ligne droite, et entre elles. Schématiquement, cette différence est illustrée par le schéma suivant :
1) Espace ouvert: son direct;
2) Espace fermé : son direct + premières réflexions + réverbération.
Tout le monde sait que le son rebondit sur les murs, les sols et les plafonds, mais comment cela se produit-il ?
Comme déjà discuté ci-dessus, une onde sonore frappant un obstacle est partiellement réfléchie par celui-ci, partiellement absorbée et traverse partiellement l'obstacle.
Naturellement, plus le mur est dur et dense, plus l'énergie acoustique sera réfléchie à l'intérieur de la pièce.
Les ondes sonores sont réfléchies par les obstacles de manière très dirigée, par conséquent, aux endroits où elles sont réfléchies par les murs, les plafonds et les sols, c'est-à-dire loin de la principale source de son, des ondes sonores apparaissent. "images" supplémentaires(sources sonores secondaires, "imaginaires" ou dites "fantômes". Dans certaines sources d'information étrangères, elles sont également appelées "zones chaudes").
Les réflexions, en interaction les unes avec les autres et avec le son direct, le déforment et aggravent la netteté de l'image sonore. Imaginez maintenant ce qui se passe lorsque le son multifréquence de deux haut-parleurs ou plus à la fois est réfléchi par six surfaces de la pièce (quatre murs, plafond et sol) à la fois, et vous comprendrez l'énorme impact que l'acoustique de la pièce a sur la qualité du son qui y est reproduit.
Ainsi, dans un espace confiné (dans une pièce) il y a trois sources sonores :
1. son direct- c'est le son provenant directement des haut-parleurs de l'AC (système acoustique) et atteignant les oreilles de l'auditeur de la manière la plus courte - en ligne droite, c'est-à-dire sans se refléter sur les surfaces des murs, du sol et du plafond de la pièce (il peut conditionnellement être considéré comme le son original enregistré sur un support musical).
2. Premières réflexions (premières réflexions)- ce sont des réflexions du son principal provenant des murs, du sol et du plafond de la pièce, ainsi que des éléments intérieurs qui s'y trouvent, atteignant les oreilles de l'auditeur de la manière la plus courte, c'est-à-dire subissant une seule réflexion, grâce à laquelle ils conserver une amplitude et une forme suffisamment grandes dans les zones de réflexion sur les surfaces des murs, des sols et des plafonds "images"(sources secondaires, virtuelles, "imaginaires", "fantômes") du son direct. C'est pourquoi les premières réflexions sont les plus importantes dans la structure globale des réflexions et, par conséquent, ont un impact sérieux sur la qualité sonore et la formation d'une image stéréo.
3. Réflexions de réverbération (réflexions tardives, réverbérations, échos). Contrairement aux premières réflexions, elles sont le résultat de réflexions répétées du son principal sur les surfaces des murs, du sol et du plafond de la pièce. Ils atteignent les oreilles de l'auditeur par des trajets complexes et longs et ont donc une faible amplitude.
Sous principal le son fait référence au son provenant directement du haut-parleur, mais contrairement au son direct, il a une directivité circulaire.
Quelle est la différence entre les réflexions précoces et tardives ?
Pour répondre à cette question, il est nécessaire de se familiariser avec certaines caractéristiques subjectives de la perception sonore humaine liées aux caractéristiques temporelles du son.
C'est ce qu'on appelle Effet Haas, dont l'essence est que si le son provient de plusieurs sources à différentes distances, alors notre système oreille / cerveau identifie (perçoit) uniquement le son qui est venu en premier.
Si la différence d'heure d'arrivée de plusieurs signaux sonores est jusqu'à 50 ms, alors le son arrivé plus tôt domine le son arrivé plus tard, même si ce dernier est 10 dB plus fort (c'est-à-dire 3 fois plus fort !!!).
Ainsi, toutes les réflexions qui atteignent les oreilles de l'auditeur pendant les 50 premières ms suivant le son direct sont perçues par l'oreille humaine avec le signal direct, c'est-à-dire comme un signal commun.
D'une part, cela conduit à une amélioration de la perception de la parole et à une augmentation subjective de son volume, cependant, dans le cas de la reproduction sonore, cela détériore considérablement sa qualité en raison de la distorsion des informations musicales d'origine par les signaux sonores réfléchis fusionner avec elle.
Si les réflexions arrivent avec un retard de plus de 50 ms et ont un niveau comparable au signal direct, l'oreille humaine les perçoit comme une répétition du signal direct, c'est-à-dire sous la forme de signaux audio séparés. Dans de tels cas, ces réflexions sont appelées "écho" (réverbération). L'écho altère considérablement l'intelligibilité de la parole et la perception des informations musicales.
1) Spécial valeur pratique ont premières réflexions (premières réflexions) atteindre l'oreille de l'auditeur dans un intervalle de temps allant jusqu'à 20 ms. après un signal direct.
Comme déjà mentionné, ils conservent une grande amplitude et sont perçus par l'oreille humaine avec le signal direct et, par conséquent, déforment sa structure d'origine (originale). Ainsi, les premières réflexions sont l'un des principaux ennemis d'un son de qualité.
Les caractéristiques géométriques des premières réflexions dépendent directement de la forme de la pièce, de l'emplacement de la source sonore (dans notre cas, ce sont les haut-parleurs) et de l'auditeur, étant unique pour chaque point spécifique de la pièce donnée.
Les caractéristiques d'amplitude des premières réflexions dépendent :
Distances entre la source sonore et la surface réfléchissante ;
Distances entre les oreilles de l'auditeur et la surface réfléchissante ;
Des propriétés acoustiques de la surface réfléchissante elle-même.
Ainsi, la caractéristique acoustique de chaque point espace intérieur ambiante est principalement déterminée par la combinaison des caractéristiques du son direct et des premières réflexions arrivant à ce point.
2) Reverb (réflexions tardives, écho).
Lors de la lecture d'un son dans une pièce, nous entendons non seulement le son direct de la source et les premières réflexions, mais également des signaux réfléchis plus faibles (silencieux), qui sont le résultat de longues réflexions répétées du son principal depuis les murs, le sol et le plafond de la chambre. Naturellement, ces signaux sonores parviennent aux oreilles de l'auditeur bien plus tard que l'arrivée du son direct et les premières réflexions. Subjectivement, cela est perçu comme
la forme d'un écho.
Ainsi, l'effet dans lequel l'atténuation du son ne se produit pas immédiatement, mais progressivement, en raison de ses nombreuses réflexions sur les murs, le sol et le plafond de la pièce, est appelé réverbération.
La composition spectrale des signaux réfléchis dans les grandes et les petites pièces est différente, car la réverbération contient des informations sur la taille de la pièce. De plus, le spectre des signaux de réverbération contient également des informations sur les propriétés des matériaux à partir desquels les surfaces réfléchissantes sont fabriquées.
Par exemple, la réverbération avec haut niveau composants haute fréquence, est associé à une pièce qui a des murs solides qui reflètent bien les hautes fréquences. Si le son de réverbération est étouffé, l'auditeur en vient à la conclusion que les murs de la pièce sont recouverts de tapis ou de tentures qui absorbent les hautes fréquences.
Il convient également de noter que le spectre des signaux de réverbération vous permet de déterminer la distance à la source sonore.
Notre système oreille/cerveau, en évaluant automatiquement la relation entre le son direct et les niveaux de réverbération, juge indépendamment si la source sonore est proche (réverbération faible) ou éloignée (réverbération forte).
De plus, l'organe auditif humain est conçu de telle manière que la qualité de la perception sonore dépend non seulement du rapport quantitatif entre le son direct et la réverbération, mais également du temps de retard du signal réverbérant par rapport au moment de la perception. du son direct.
Temps de réverbération représente la période de temps pendant laquelle l'onde sonore, faisant écho à plusieurs reprises dans la pièce, s'estompe progressivement. Ce paramètre est l'un des principaux critères des caractéristiques acoustiques de la pièce.
Ce paramètre caractérise la taille de la pièce : dans les petites pièces, un plus grand nombre de réflexions se produisent par unité de temps, ce qui, contrairement à la situation dans grandes chambres, entraîne une atténuation rapide et une décroissance subséquente de la réverbération. Ainsi que les propriétés de ses surfaces réfléchissantes : solides surfaces brillantes, contrairement à ceux en relief et doux, reflètent bien le son, pratiquement sans l'affaiblir, ce qui à son tour, naturellement, prolonge le temps de réverbération.
L'abréviation a été adoptée pour désigner ce paramètre. RT60, c'est-à-dire le temps (en secondes) pendant lequel le niveau de pression acoustique (SPL) dans la pièce diminue de 60 dB, après que la source sonore a cessé d'émettre.
L'écho multiple est subjectivement perçu comme bruit de la chambre. Moins il y a d'atténuation, plus plus de temps réverbération et, par conséquent, plus le boom est fort.
Comme déjà indiqué, le temps de réverbération est déterminé non seulement par la taille de la pièce, mais également par la réflectivité de ses murs, sol et plafond. Avez-vous déjà remarqué à quel point le son est inhabituel dans une salle vide prête à être rénovée ou dans un immense hangar où il y a beaucoup de réverbération ?
En relation avec ce qui précède, il convient de considérer une autre catégorie, à savoir, rayon de flèche. Ce que c'est?
Nous parlons du rapport des niveaux de son direct et réfléchi. En général, plus l'auditeur est proche de la source sonore, plus le son direct est fort et, par conséquent, plus le son réfléchi est faible. Au fur et à mesure que vous vous éloignez de la source sonore, le son direct s'affaiblit, tandis que le son réfléchi, au contraire, augmente.
En suivant logiquement ce principe, on peut raisonnablement supposer qu'à une certaine distance de la source sonore, le son direct et le son réfléchi seront perçus par l'auditeur avec la même intensité. Ainsi, le cercle, dont le rayon correspond au rayon de la flèche, est la limite entre deux zones : l'intérieure avec une prédominance de son direct et l'extérieure, où le son réfléchi domine.
Caractéristiques du comportement des ondes sonores de différentes longueurs dans un espace confiné
Il est évident que le comportement du son dans un studio de musique obéit aux lois de sa propagation dans un espace clos. Considérons ce processus plus en détail.
Le comportement des ondes sonores dans un espace clos dépend de leur longueur et, par conséquent, de la fréquence de leurs oscillations, allant de 17 mètres (20 Hz - au début de la gamme des graves audibles) à 17 millimètres (20 KHz - au fin de la plage des hautes fréquences audibles).
Simplifié, le comportement des ondes sonores à l'intérieur d'une pièce, en fonction de leur longueur, peut être représenté par deux modèles indépendants.
Un - pour LF, cela ressemble à un processus purement ondulatoire - interférence (addition) de toutes les sources LF (à la fois les basses des haut-parleurs et les réflexions basse fréquence des murs, du sol et du plafond), conduisant à la formation d'une image tridimensionnelle pour chaque fréquence, comme un terrain montagneux avec une alternance de pics et de creux de volume.
La seconde - pour HF, est similaire à l'émission lumineuse avec des lois connues de réfraction, de réflexion et de diffraction. Il utilise les méthodes illustratives de l'optique géométrique, puisque des règles similaires s'appliquent dans ces domaines. Par exemple, une partie de l'énergie d'une onde sonore qui atteint une surface solide est réfléchie par celle-ci sous un angle, angle égal automne.
L'image globale est complétée par un mélange de ces deux processus pour MF.
Ondes de moyenne et haute fréquence (ondes de courte longueur).
Comme déjà mentionné, le comportement des ondes sonores à haute fréquence dans de façon générale obéit aux lois de la propagation de la lumière. Ceci est directement lié aux ondes de la gamme HF et est plus ou moins vrai par rapport à la sous-bande HF.
La première caractéristique des ondes sonores dans cette gamme est leur orientation, c'est-à-dire un changement (amplification ou affaiblissement) de la perception du niveau HF même avec une légère déviation de l'axe de leur rayonnement. En termes simples, les hautes fréquences se propagent vers l'auditeur comme un faisceau de projecteur.
La directivité augmente avec la fréquence du signal, atteignant un maximum aux fréquences les plus élevées. C'est la directivité qui détermine l'importance principale des ondes HF dans la formation d'une image stéréo.
Deuxième caractéristique HF est la capacité à réfléchir de manière répétée à partir de surfaces solides, comme une balle de recul ou une boule de billard, ce qui, à son tour, provoque leur dispersion facile (diffusion).
La troisième caractéristique est absorption facile même les surfaces douces minces, comme, par exemple, les rideaux.
C'est précisément en raison de la directivité et de la capacité de réflexion que les hautes fréquences, comme indiqué ci-dessus, participent activement à la formation du motif de réverbération.
Ondes basses ou basses (ondes longues).
Ainsi, le comportement des basses fréquences dans un espace clos ressemble à un processus purement ondulatoire, basé sur les interférences, c'est-à-dire le processus d'ajout (superposition) d'ondes sonores émanant d'absolument toutes les sources basse fréquence de la pièce, ainsi autant de réflexions basse fréquence provenant des murs, du sol et du plafond de la pièce.
Cela est dû au fait que, contrairement aux ondes moyennes et hautes fréquences, qui sont directionnelles, les ondes graves se propagent uniformément dans toutes les directions comme des sphères rayonnant à partir d'un centre rayonnant. Ainsi, les ondes sonores à basse fréquence sont omnidirectionnel, c'est pourquoi il est impossible de déterminer l'emplacement du woofer les yeux fermés.
Cette propriété des ondes basse fréquence explique l'incapacité de leur participation à la formation d'une image stéréo.
De plus, en raison de la grande longueur d'onde et de la haute énergie, les ondes à basse fréquence sont capables non seulement de se plier autour d'un obstacle, mais aussi, partiellement réfléchies, de "traverser" même à travers murs en béton(c'est exactement le cas lorsque vos voisins éloignés dans "l'immeuble de grande hauteur" entendent un "buzz" basse fréquence pendant que vous écoutez de la musique).
Ainsi, contrairement aux hautes fréquences, qui sont facilement réfléchies par les surfaces dures, les ondes basses sont réfléchies bien moins bien, partiellement absorbées et traversant partiellement l'obstacle, et à mesure que la fréquence diminue, elles perdent leur capacité à réfléchir davantage et préfèrent "avancer". .
Et aussi les ondes à basse fréquence "peuvent" "couler" hors de la pièce par la fenêtre ouverte et portes, ainsi que pénétrer facilement le verre, comme s'il n'y était pas du tout.
Compte tenu de tous les points ci-dessus, et compte tenu également du fait que les longueurs d'onde des ondes basse fréquence sont proportionnelles aux dimensions linéaires de la pièce (longueur, largeur et hauteur), il devient clair pourquoi le comportement des ondes basses est principalement influencé par les paramètres de la pièce.
Si la longueur d'onde du signal sonore est deux fois plus longue que l'une des dimensions linéaires de la pièce, alors à sa fréquence entre une paire de murs donnée, le phénomène acoustique le plus redoutable et le plus difficile à supprimer se produit, littéralement "tuant" le son, - résonance du volume d'air.
Subjectivement, cela se traduit par l'amplification du signal de cette fréquence particulière par rapport au niveau des autres fréquences et l'apparition d'un son retentissant.
Des résonances à basse fréquence et des ondes stationnaires se produisent entre deux surfaces parallèles (par exemple, entre les murs avant et arrière ou entre les murs latéraux, ou entre le sol et le plafond) lorsqu'elles sont excitées dans Cette pîece onde sonore avec la fréquence correspondante.
D'ailleurs, peu importe ce qui excite cette vague : jouer de la musique, jouer du instrument de musique, le ton de la voix lors d'une conversation, le bruit des communications ou des véhicules qui passent, le fonctionnement des appareils électriques, etc.).
Les ondes sonores à basse fréquence sont omnidirectionnelles ("... on ne peut pas localiser les graves en dessous de 80 Hz..." - Anthony Grimani) et elles ont une énergie formidable. Les plus basses d'entre elles - les basses fréquences, ne sont pratiquement pas réfléchies, elles sont capables de traverser tous les obstacles.
Lorsque la fréquence augmente, leur réflectivité augmente et leur pouvoir de pénétration diminue.
« On pense que le son se propage en ligne droite, comme n'importe quelle onde. Mais cela n'est vrai que pour un vaste espace dépourvu d'obstacles. En réalité, le mouvement des ondes sonores est infiniment plus complexe. Ils se heurtent aux obstacles et les uns aux autres, et se propagent parfois, formant des tourbillons, le long de trajectoires indescriptibles.
À mon avis, les personnes impliquées dans l'ingénierie audio doivent avoir une imagination spatiale afin de représenter clairement les images visuelles des ondes sonores et leur comportement, qui ne peuvent être expliqués en s'appuyant uniquement sur la théorie de l'électricité.
Il semble qu'à ce jour, un grand nombre de facteurs qui affectent la reproduction sonore restent inexplorés, défiant toutes les connaissances et l'expérience accumulées des ingénieurs du son. Plus j'y pense, plus je me rends compte que le monde du son est bien plus profond que nous ne pouvons l'imaginer.