Cara memantulkan gelombang bunyi. Refleksi, penyerapan dan transmisi gelombang suara. Interaksi suara dengan hambatan

Seperti dalam proses gelombang lainnya, ketika gelombang suara jatuh pada penghalang berukuran terbatas, selain interferensi, pemantulannya juga diamati (Gbr. 1.10). Dalam hal ini, sudut datang dan sudut pantul adalah sama besar. Akibatnya, permukaan datar dan cembung menghamburkan suara (Gbr. 1.10 a, b dan c), sedangkan permukaan cekung memfokuskan dan memusatkannya pada titik tertentu (Gbr. 1.10 d).

Gambar 1.10 Pemantulan gelombang bunyi dari permukaan berbagai bentuk

Ketika gelombang jatuh pada batas dua media (Gbr. 1.11), sebagian energi suara dipantulkan, dan sebagian lagi berpindah ke media kedua.

Beras. 1.11 Pemantulan dan transmisi gelombang pada batas dua media

Menurut hukum kekekalan energi, jumlah energi yang dilepaskan E masa lalu. dan tercermin E negatif. energi sama dengan energi gelombang datang bantalan E, , yaitu.

Epad = Eotr. + Eprosh.

(1.59)

Mari kita bagi ruas kanan dan kiri rumus menjadi bantalan E .

1 = (E neg./Epad) +(Eprosh/Epad)

Suku-suku dalam hubungan di atas menunjukkan berapa bagian energi datang yang dipantulkan, dan berapa bagian yang diteruskan. Mereka mewakili koefisien refleksi dan transmisi. Memperkenalkan notasi η dan τ untuk masing-masingnya, kita peroleh

Gambar 1.12 menunjukkan perubahan koefisien refleksi dan transmisi tergantung pada rasio hambatan akustik media yang berdekatan. Grafik menunjukkan bahwa besarnya koefisien hanya bergantung pada nilai absolut

nilai pasti dari rasio resistansi akustik media, tetapi tidak bergantung pada resistansi mana yang lebih besar. Hal ini dapat menjelaskan fakta bahwa suara yang merambat di dinding besar mana pun mengalami pantulan yang sama dari antarmuka dengan udara seperti halnya suara yang merambat di udara ketika dipantulkan dari dinding tersebut.

Beras. 1.12. Kemungkinan η Dan τ tergantung pada rasio resistensi akustik dari media yang berdekatan (Z 1 / Z 2)

Dalam beberapa kasus, menarik untuk mengetahui bagaimana tekanan suara atau kecepatan getaran partikel berubah ketika melewati batas dua media. Karena intensitas energi bunyi sebanding dengan kuadrat tekanan bunyi dan kecepatan getaran, maka tentu saja koefisien refleksi tekanan dan kecepatan dapat dicari dengan menggunakan rumus

Rumus koefisien refleksi dan transmisi di atas dapat digunakan dalam perhitungan pemandu suara satu dimensi ketika penampangnya diubah (Gbr. 1.13), jika luas penampang S 1 Dan S 2 tidak terlalu berbeda. Pada

Gambar 1.13. Mengubah bagian panduan suara

Penyerapan suara

Penyerapan bunyi (redaman, disipasi) adalah pengubahan energi bunyi menjadi panas. Hal ini disebabkan oleh konduktivitas termal dan viskositas (penyerapan klasik) dan refleksi intramolekul. Pada amplitudo yang sangat besar, yang hanya terjadi di dekat sumber suara yang sangat kuat atau selama tumbukan supersonik, terjadi proses nonlinier yang menyebabkan distorsi bentuk gelombang dan peningkatan penyerapan.

Untuk bunyi dalam gas dan cairan, penyerapan menjadi penting secara praktis hanya jika bunyi merambat dalam jarak yang jauh (setidaknya beberapa ratus panjang gelombang) atau jika benda dengan luas permukaan yang sangat besar ditemui di jalur bunyi.

Mari kita perhatikan proses bunyi melewati suatu rintangan (Gbr. 1.14). Energi suara insiden bantalan E . dibagi menjadi energi yang dipantulkan dari rintangan E negatif terserap di dalamnya E menyerap dan energi yang melewati rintangan

Menurut hukum kekekalan energi

Gambar 1.14. Distribusi energi ketika suara jatuh pada suatu rintangan.

Proses ini dapat diperkirakan dengan perbandingan energi yang ditransmisikan, diserap dan dipantulkan terhadap energi yang terjadi pada rintangan:

τ = E masa lalu. / E pad; η = E neg. / E pad; α = E perut. / E pad; (1.67)

Seperti disebutkan di atas, dua rasio pertama disebut koefisien transmisi τ dan refleksi η . Koefisien ketiga mencirikan sebagian kecil energi yang diserap dan disebut koefisien penyerapan α. Jelas bahwa dari (1.66) berikut ini

α + η + τ = 1

(1.68)

Penyerapan bunyi disebabkan oleh perubahan energi getaran menjadi panas akibat kerugian gesekan pada material. Kerugian gesekan tinggi pada material berpori dan berserat longgar. Desain yang terbuat dari bahan tersebut mengurangi intensitas gelombang suara yang dipantulkan dari permukaan. Peredam suara yang terletak di dalam ruangan juga dapat meredam intensitas suara langsung jika ditempatkan pada jalur gelombang suara.

Resonator.

Apa yang disebut resonator dapat berfungsi sebagai penyerap gelombang suara yang efektif, dan dalam beberapa kasus sebagai penguatnya. Di bawah resonator

sistem tipe "pegas massa" dibuat, di mana peran massa berosilasi dimainkan oleh massa udara di lubang sempit atau di celah pelat, dan peran pegas

– volume elastis udara dalam rongga di belakang pelat. Representasi skema resonator Helmholtz ditunjukkan pada Gambar 1.15

Beras. 1.15. Resonator Helmholtz

Mari kita pertimbangkan resonator udara yang paling sederhana, yaitu. sebuah kapal dengan dinding kaku dan leher sempit. Ketika gelombang suara dengan frekuensi tertentu menimpanya, “sumbat” udara di tenggorokan kapal mengalami gerakan osilasi yang intens. Kecepatan getaran partikel di tenggorokan beberapa kali lebih tinggi daripada kecepatan getaran di medan bunyi bebas ξ . Pada saat ini, tekanan dalam volume internal resonator meningkat R . Jika kita membawanya ke rongga dalam tabung resonator maka bunyi yang dirasakan akan semakin keras.

Pada saat yang sama, dengan kerugian gesekan yang cukup besar, resonator tidak dapat berfungsi sebagai penguat, tetapi sebagai penyerap energi suara. Jika lapisan bahan penyerap suara dimasukkan ke dalam tenggorokan resonator, penyerapannya akan meningkat secara nyata.

Frekuensi melingkar alami ω o dengan massa M pada pegas dengan kekakuan S dapat dicari dengan menggunakan rumus yang terkenal

koreksi, besarnya tergantung pada bentuk leher dan luas penampangnya. Jadi, frekuensi alami resonator ditentukan sebagai

untuk =	Jadi			S	(1.72)
2π			V ( aku+aku aku+aku α)

Dalam sistem resonansi seperti itu, dengan adanya sumber suara eksternal, udara yang tertutup dalam rongga bergetar bersamaan dengan amplitudo yang bergantung pada rasio antara periode osilasi alami dan osilasi paksa. Ketika sumber dimatikan, resonator mengembalikan getaran yang terkumpul di dalamnya, menjadi waktu yang singkat sumber sekunder.

Tergantung pada karakteristiknya, resonator dapat memperkuat atau menyerap getaran suara pada frekuensi tertentu.

Penyerapan bunyi resonator dijelaskan dengan menggunakan karakteristik kondisional bagian penyerapan bunyi A . Hal ini dipahami sebagai luas penampang konvensional yang tegak lurus terhadap arah rambat gelombang datang, yang melaluinya gelombang bebas (tanpa adanya resonator) mentransmisikan daya yang sama dengan yang diserap oleh resonator.

Mari kita asumsikan bahwa dimensi resonator kecil dibandingkan dengan panjang gelombang datang. Kemudian, sebagai perkiraan pertama, disipasi energi suara pada badan resonator dapat diabaikan. Jika kita berasumsi bahwa lubang resonator ditutup secara akustik kaku, maka tekanan suara berada di leher p h = p l , dan kecepatan getaran υ = p h / Z h (jika resonator ada di layar, maka pengali akan ditambahkan ke rumus yang diberikan 2 ).

Impedansi leher resonator terdiri dari rugi-rugi internal R saya , resistensi radiasi aktif R r dan reaktansi massa dan elastisitas.

2. AKUSTIKA INDUSTRI

Anda masing-masing pasti familiar dengan fenomena suara seperti gema. Gema terbentuk sebagai hasil pantulan suara dari berbagai rintangan - dinding ruangan besar yang kosong, hutan, kubah lengkungan tinggi pada sebuah bangunan.

Gema hanya terdengar bila suara yang dipantulkan dirasakan terpisah dari suara yang diucapkan. Untuk melakukan ini, interval waktu antara dampak kedua suara ini pada gendang telinga harus minimal 0,06 detik.

Mari kita tentukan berapa lama setelah anda mengucapkan seruan singkat, bunyi yang dipantulkan dari dinding sampai ke telinga anda jika anda berdiri pada jarak 3 m dari dinding tersebut.

Bunyi tersebut harus menempuh jarak ke dinding dan ke belakang, yaitu 6 m, merambat dengan kecepatan 340 m/s. Ini memerlukan waktu t = s/v, yaitu t = 6m /340m/s = 0,02 dtk.

Interval antara dua suara yang Anda rasakan - diucapkan dan dipantulkan - jauh lebih kecil daripada yang diperlukan untuk mendengar gema. Selain itu, terbentuknya gema dalam ruangan dicegah dengan adanya furnitur, gorden dan benda lain di dalamnya yang sebagian menyerap suara pantulan. Oleh karena itu, di ruangan seperti itu, ucapan orang dan suara lainnya tidak terdistorsi oleh gema dan terdengar jelas serta dapat dipahami.

Ruangan besar setengah kosong dengan dinding, lantai, dan langit-langit halus cenderung memantulkan gelombang suara dengan sangat baik. Di ruangan seperti itu, karena tumbukan gelombang suara sebelumnya ke gelombang suara berikutnya, suara ditumpangkan, dan terbentuklah dengungan. Untuk meningkatkan sifat suara di aula dan auditorium besar, dindingnya sering kali dilapisi dengan bahan penyerap suara.

Cara kerja klakson, suatu pipa yang melebar, biasanya berbentuk bulat atau persegi panjang, didasarkan pada sifat suara yang dipantulkan dari permukaan halus. Saat menggunakan klakson, gelombang suara tidak tersebar ke segala arah, tetapi membentuk pancaran yang diarahkan secara sempit, sehingga kekuatan suara meningkat dan menyebar ke jarak yang lebih jauh.

Beberapa gema ganda yang terkenal: Di Kastil Woodstock di Inggris, gema tersebut dengan jelas mengulangi 17 suku kata. Reruntuhan Kastil Derenburg dekat Halberstadt menghasilkan gema 27 suku kata, yang, bagaimanapun, menjadi sunyi karena salah satu tembok diledakkan. Batuan tersebut, tersebar membentuk lingkaran dekat Adersbach di Cekoslowakia, berulang di tempat tertentu, tiga kali 7 suku kata; namun beberapa langkah dari titik ini bahkan suara tembakan pun tidak memberikan gaung apapun. Gema yang sangat banyak diamati di satu kastil (yang sekarang sudah tidak berfungsi) dekat Milan: tembakan yang ditembakkan dari jendela bangunan tambahan digaungkan 40-50 kali, dan kata-kata keras - 30 kali... Dalam kasus tertentu, gema adalah konsentrasi bunyi dengan memantulkannya dari permukaan melengkung yang cekung. Jadi, jika sumber bunyi ditempatkan pada salah satu dari dua fokus kubah ellipsoidal, maka gelombang bunyi dikumpulkan di fokus lainnya. Ini menjelaskan, misalnya, " telinga Dionysus"di Syracuse - sebuah gua atau ceruk di dinding, di mana setiap kata yang diucapkan oleh mereka yang dipenjara di dalamnya dapat terdengar di suatu tempat yang jauh darinya. Salah satu gereja di Sisilia memiliki properti akustik serupa, di mana di tempat tertentu orang dapat mendengar kata-kata bisikan dalam pengakuan dosa. Juga dikenal dalam hal ini adalah kuil Mormon di Salt Lake di Amerika dan gua-gua di taman biara Oliva dekat Danzig. Di Olympia (Yunani) di Kuil Zeus, "Porticus of the Echo" masih bertahan sampai hari ini. Di dalamnya, suara itu diulang sebanyak 5...7 kali. Di Siberia, di Sungai Lena di utara Kirensk, ada tempat yang menakjubkan. Topografi pantai berbatu di sana sedemikian rupa sehingga gaungnya peluit kapal motor yang menyusuri sungai dapat diulang hingga 10 bahkan 20 kali (dalam kondisi cuaca yang mendukung). Gema seperti itu kadang-kadang dianggap sebagai suara yang perlahan memudar, dan kadang-kadang sebagai suara yang berkibar dari arah yang berbeda. Beberapa gema juga bisa terdengar di Danau Teletskoe di Pegunungan Altai. Danau ini panjangnya 80 km dan lebarnya hanya beberapa kilometer; tepiannya tinggi dan curam, ditutupi hutan. Tembakan pistol atau jeritan keras yang tajam di sini menghasilkan hingga 10 sinyal gema yang berbunyi selama 10...15 detik. Anehnya, sering kali respons suara bagi pengamat tampak berasal dari suatu tempat di atas, seolah-olah gema tersebut ditangkap oleh perbukitan pesisir.

Tergantung pada medan, lokasi dan orientasi pengamat, kondisi cuaca, waktu dalam setahun dan hari, gema mengubah volume, timbre, dan durasinya; jumlah pengulangannya berubah. Selain itu, frekuensi respons audio dapat berubah; mungkin menjadi lebih tinggi atau, sebaliknya, lebih rendah dibandingkan dengan frekuensi sinyal suara aslinya.

Tidak mudah menemukan tempat di mana gaungnya terdengar jelas meski hanya sekali. Namun di Rusia, tempat-tempat seperti itu relatif mudah ditemukan. Ada banyak dataran yang dikelilingi hutan, banyak pembukaan hutan; Layak untuk berteriak dengan keras di tempat terbuka sehingga gema yang kurang lebih jelas dapat terdengar dari tembok hutan.

Tekanan bunyi p bergantung pada kecepatan v partikel medium yang berosilasi. Perhitungan menunjukkan hal itu

dimana p adalah massa jenis medium, c adalah cepat rambat gelombang bunyi dalam medium. Produk rc disebut impedansi akustik spesifik; untuk gelombang bidang disebut juga impedansi gelombang.

Impedansi karakteristik adalah karakteristik terpenting suatu medium, yang menentukan kondisi pemantulan dan pembiasan gelombang pada batasnya.

Bayangkan gelombang suara mengenai antarmuka antara dua media. Sebagian gelombang dipantulkan dan sebagian lagi dibiaskan. Hukum pemantulan dan pembiasan gelombang bunyi mirip dengan Hukum pemantulan dan pembiasan cahaya. Gelombang yang dibiaskan dapat diserap pada medium kedua, atau dapat keluar dari medium tersebut.

Mari kita asumsikan bahwa gelombang bidang datang secara normal ke antarmuka; intensitasnya pada medium pertama adalah I 1; intensitas gelombang yang dibiaskan (ditransmisikan) pada medium kedua adalah 1 2. Mari kita menelepon

koefisien penetrasi gelombang suara.

Rayleigh menunjukkan bahwa koefisien penetrasi bunyi ditentukan oleh rumus

Jika hambatan gelombang medium kedua sangat besar dibandingkan dengan hambatan gelombang medium pertama (c 2 p 2 >> c 1 ρ 1), maka sebagai ganti (6.7) kita mempunyai

karena c 1 ρ 1 /c 2 p 2 >>1. Mari kita sajikan impedansi gelombang beberapa zat pada 20 °C (Tabel 14).

Tabel 14

Kami menggunakan (6.8) untuk menghitung koefisien penetrasi gelombang suara dari udara ke beton dan ke dalam air:

Data ini sangat mengesankan: ternyata hanya sebagian kecil energi gelombang suara yang berpindah dari udara ke beton dan ke air.

Di ruang tertutup mana pun, suara yang dipantulkan dari dinding, langit-langit, furnitur yang jatuh ke dinding lain, lantai, dll., kembali dipantulkan dan diserap dan secara bertahap menghilang. Oleh karena itu, meskipun sumber bunyi berhenti, masih terdapat gelombang suara di dalam ruangan yang menimbulkan dengungan. Hal ini terutama terlihat di aula besar yang luas. Proses redaman bunyi secara bertahap di ruang tertutup setelah sumber dimatikan disebut gaung.

Gema, di satu sisi, berguna, karena persepsi suara ditingkatkan oleh energi gelombang yang dipantulkan, namun, di sisi lain, gema yang terlalu lama dapat memperburuk persepsi ucapan dan musik secara signifikan, karena setiap bagian baru dari teksnya tumpang tindih dengan teks sebelumnya. Dalam hal ini, mereka biasanya menunjukkan beberapa waktu dengung optimal, yang diperhitungkan ketika membangun auditorium, teater dan ruang konser, dll. Misalnya, waktu dengung di Aula Kolom House of Unions di Moskow yang terisi adalah 1,70 detik, dan Teater Bolshoi yang terisi - 1. 55 hal. Untuk ruangan ini (kosong), waktu dengung masing-masing adalah 4,55 dan 2,06 s.

Fisika pendengaran

Mari kita perhatikan beberapa pertanyaan fisika pendengaran dengan menggunakan contoh telinga luar, tengah dan dalam. Telinga luar terdiri dari daun telinga 1 dan saluran pendengaran luar 2 (Gbr. 6.8), Daun telinga pada manusia tidak berperan penting dalam pendengaran. Ini membantu menentukan lokalisasi sumber suara bila terletak pada arah anterior-posterior. Mari kita jelaskan ini. Bunyi dari sumbernya masuk ke telinga. Tergantung pada posisi sumber pada bidang vertikal

(Gbr. 6.9) gelombang suara akan didifraksi secara berbeda pada pinna karena bentuknya yang spesifik. Hal ini juga akan menyebabkan perubahan komposisi spektral gelombang suara yang masuk ke saluran telinga (masalah difraksi dibahas lebih rinci pada Bab 19). Sebagai hasil dari pengalaman, seseorang telah belajar mengasosiasikan perubahan spektrum gelombang suara dengan arah menuju sumber suara (arah A, B dan B pada Gambar 6.9).

Memiliki dua penerima suara (telinga), manusia dan hewan mampu menentukan arah ke sumber suara dan pada bidang horizontal (efek binaural; Gambar 6.10). Hal ini dijelaskan oleh fakta bahwa suara merambat pada jarak yang berbeda dari sumber ke telinga yang berbeda dan timbul perbedaan fasa untuk gelombang yang masuk ke telinga kanan dan kiri. Hubungan antara perbedaan jarak ini (5) dan perbedaan fasa (∆φ) diturunkan dalam § 19.1 ketika menjelaskan interferensi cahaya [lihat (19.9)]. Jika sumber bunyi terletak tepat di depan wajah seseorang, maka δ = 0 dan ∆φ = 0; jika sumber bunyi terletak pada sisi yang berhadapan dengan salah satu telinga, maka akan masuk ke telinga yang lain dengan lambat. Mari kita asumsikan kira-kira bahwa dalam kasus ini 5 adalah jarak antara telinga. Dengan menggunakan rumus (19.9), beda fasa dapat dihitung untuk v = 1 kHz dan δ = 0,15 m. Kira-kira sama dengan 180°.

Arah yang berbeda terhadap sumber suara pada bidang horizontal akan sesuai dengan perbedaan fasa antara 0° dan 180° (untuk data di atas). Dipercaya bahwa seseorang dengan pendengaran normal dapat menentukan arah sumber suara dengan akurasi 3°; ini setara dengan perbedaan fasa sebesar 6°. Oleh karena itu, kita dapat berasumsi bahwa seseorang mampu membedakan perubahan beda fasa gelombang suara yang masuk ke telinganya dengan ketelitian 6°.

Selain perbedaan fase, efek binaural difasilitasi oleh perbedaan intensitas suara di telinga yang berbeda, serta “bayangan akustik” dari kepala untuk satu telinga. Pada Gambar. 6.10 secara skematis menunjukkan bahwa bunyi dari sumber masuk ke kiri

telinga akibat difraksi (Bab 19).

Gelombang suara melewati saluran telinga dan sebagian dipantulkan dari gendang telinga 3 (lihat Gambar 6.8). Akibat interferensi gelombang datang dan gelombang pantul, resonansi akustik dapat terjadi. Dalam hal ini, panjang gelombangnya empat kali panjang saluran pendengaran eksternal. Panjang saluran telinga pada manusia kira-kira 2,3 cm; oleh karena itu, resonansi akustik terjadi pada suatu frekuensi

Bagian terpenting dari telinga tengah adalah gendang telinga 3 dan tulang-tulang pendengaran: maleus 4, inkus 5 dan stapes 6 dengan otot, tendon, dan ligamen yang sesuai. Tulang mengirimkan getaran mekanis dari lingkungan udara telinga bagian luar ke lingkungan cair di telinga bagian dalam. Media cair di telinga bagian dalam mempunyai impedansi karakteristik yang kira-kira sama dengan impedansi karakteristik air. Seperti yang telah ditunjukkan (lihat § 6.4), selama transisi langsung gelombang suara dari udara ke air, hanya 0,123% intensitas datang yang ditransfer. Ini terlalu sedikit. Oleh karena itu, tujuan utama telinga tengah adalah membantu mengirimkan intensitas suara yang lebih besar ke telinga bagian dalam. Dengan menggunakan bahasa teknis, kita dapat mengatakan bahwa telinga tengah cocok dengan hambatan gelombang udara dan cairan di telinga bagian dalam.

Sistem tulang-tulang pendengaran (lihat Gambar 6.8) di salah satu ujungnya dihubungkan dengan palu ke gendang telinga (luas S 1 = 64 mm 2), di ujung lainnya - dengan sanggurdi - ke jendela oval 7 telinga bagian dalam (luas S 2 = 3 mm 2).

Dalam hal ini, gaya F 2 bekerja pada jendela oval telinga bagian dalam, menciptakan tekanan suara p 2 dalam media cair. Hubungan antara keduanya:
Membagi (6.9) dengan (6.10) dan membandingkan hubungan ini dengan (6.11), kita memperoleh

Di mana

atau dalam satuan logaritma (lihat § 1.1)

Pada tingkat ini, telinga tengah meningkatkan transmisi tekanan suara luar ke telinga dalam.

Fungsi lain dari telinga tengah adalah untuk melemahkan transmisi getaran jika terjadi suara berintensitas tinggi. Hal ini dicapai dengan relaksasi refleks otot-otot tulang telinga tengah.

Telinga tengah terhubung ke atmosfer melalui saluran pendengaran (Eustachius).

Telinga luar dan tengah termasuk dalam sistem penghantar suara. Sistem penerima suara adalah telinga bagian dalam.

Bagian utama telinga bagian dalam adalah koklea, yang mengubah getaran mekanis menjadi sinyal listrik. Selain koklea, telinga bagian dalam juga mencakup alat vestibular (lihat 4.3), yang tidak ada hubungannya dengan fungsi pendengaran.

Koklea manusia merupakan struktur tulang dengan panjang sekitar 35 mm dan berbentuk spiral kerucut dengan 2 3/4 lingkaran. Diameter pangkal sekitar 9 mm, tinggi kira-kira 5 mm.

Pada Gambar. 6.8 koklea (dibatasi oleh garis putus-putus) diperlihatkan diperluas secara skematis untuk kemudahan melihatnya. Tiga saluran berjalan di sepanjang koklea. Salah satunya, yang dimulai dari jendela oval 7, disebut skala vestibular 8. Saluran lainnya berasal dari jendela bundar 9, disebut skala timpani 10. Skala vestibular dan timpani terhubung dalam kubah koklea. melalui lubang kecil - helikotrema 11. Jadi, kedua saluran ini dalam beberapa hal mewakili satu sistem yang diisi dengan perilimfe. Getaran stapes 6 diteruskan ke membran jendela oval 7, dari sana ke perilimfe dan “menonjol keluar” membran jendela bundar 9. Ruang antara skala vestibular dan timpani disebut kanalis koklea 12, itu diisi dengan endolimfe. Di antara kanal koklea dan skala timpani, membran utama (basilar) 13 membentang di sepanjang koklea, berisi organ Corti, yang berisi sel reseptor (rambut), dan saraf pendengaran berasal dari koklea (rincian ini tidak ditampilkan pada Gambar 6.8).

Organ Corti (organ spiral) merupakan pengubah getaran mekanis menjadi sinyal listrik.

Panjang membran utama sekitar 32 mm, mengembang dan menipis searah dari jendela oval ke puncak koklea (dari lebar 0,1 hingga 0,5 mm). Membran utama adalah struktur yang sangat menarik bagi fisika; ia memiliki sifat selektif frekuensi. Hal ini diperhatikan oleh Helmholtz, yang

mewakili membran utama dengan cara yang mirip dengan serangkaian senar piano yang disetel. Peraih Nobel Bekesy membuktikan kekeliruan teori resonator ini. Karya Bekesy menunjukkan bahwa membran utama merupakan jalur transmisi eksitasi mekanis yang heterogen. Ketika terkena stimulus akustik, gelombang merambat sepanjang membran utama. Bergantung pada frekuensinya, gelombang ini melemah secara berbeda. Semakin rendah frekuensinya, semakin jauh dari jendela oval gelombang akan merambat sepanjang membran utama sebelum mulai melemah. Misalnya, gelombang dengan frekuensi 300 Hz akan merambat hingga kira-kira 25 mm dari jendela oval sebelum atenuasi dimulai, dan gelombang dengan frekuensi 100 Hz mencapai maksimumnya mendekati 30 mm. Berdasarkan pengamatan tersebut, dikembangkan teori yang menyatakan bahwa persepsi nada ditentukan oleh posisi getaran maksimum membran utama. Dengan demikian, rantai fungsional tertentu dapat ditelusuri di telinga bagian dalam: osilasi membran jendela oval - osilasi perilimfe - osilasi kompleks membran utama - osilasi kompleks membran utama - iritasi sel rambut (reseptor organ Corti) - pembangkitan sinyal listrik.

Beberapa bentuk ketulian berhubungan dengan kerusakan pada alat reseptor koklea. Dalam hal ini, koklea tidak menghasilkan sinyal listrik saat terkena getaran mekanis. Dimungkinkan untuk membantu orang tuli tersebut dengan menanamkan elektroda ke dalam koklea dan memberikan sinyal listrik yang sesuai dengan sinyal yang timbul saat terkena rangsangan mekanis.

Prostetik yang fungsi utamanya, koklea (cochlear prosthetics), sedang dikembangkan di sejumlah negara. Di Rusia, prostetik koklea dikembangkan dan diterapkan di Universitas Kedokteran Rusia. Prostesis koklea ditunjukkan pada Gambar. 6.12, di sini 1 - badan utama, 2 - kait telinga dengan mikrofon, 3 - colokan konektor listrik untuk sambungan ke elektroda implan.

REFLEKSI SUARA- fenomena yang terjadi ketika gelombang suara jatuh pada antarmuka antara dua media elastis dan terdiri dari pembentukan gelombang yang merambat dari antarmuka ke media yang sama dari mana gelombang datang itu berasal. Sebagai aturan, O.z. disertai dengan terbentuknya gelombang bias pada medium kedua. Kasus khusus O.z. - refleksi dari permukaan bebas. Biasanya refleksi pada antarmuka datar dipertimbangkan, tetapi kita dapat berbicara tentang O.Z. dari rintangan yang bentuknya berubah-ubah, jika ukuran rintangan itu jauh lebih besar daripada panjang gelombang bunyi. DI DALAM jika tidak terjadi hamburan suara atau difraksi suara.
Gelombang datang menyebabkan pergerakan antarmuka antar media, akibatnya timbul gelombang pantulan dan gelombang bias. Struktur dan intensitasnya harus sedemikian rupa sehingga pada kedua sisi antarmuka kecepatan partikel dan tegangan elastis yang bekerja pada antarmuka adalah sama. Kondisi batas pada permukaan bebas sama dengan nol tegangan elastis yang bekerja pada permukaan tersebut.
Gelombang yang dipantulkan dapat memiliki jenis polarisasi yang sama dengan gelombang datang, atau dapat juga memiliki polarisasi yang berbeda. Dalam kasus terakhir, mereka berbicara tentang transformasi, atau konversi, mode selama pemantulan atau pembiasan. Tidak ada konversi hanya ketika gelombang suara yang merambat dalam cairan dipantulkan, karena hanya gelombang longitudinal yang ada dalam media cair. Ketika gelombang suara melewati antarmuka antara benda padat, sebagai aturan, gelombang pantulan dan bias memanjang dan melintang akan terbentuk. Sifat kompleks O.z. terjadi pada batas kristal. lingkungan di mana, secara umum, timbul gelombang pantulan dan pembiasan dari tiga jenis berbeda. polarisasi.
Refleksi gelombang bidang. Pemantulan gelombang bidang mempunyai peranan khusus, karena gelombang bidang, bila dipantulkan dan dibiaskan, tetap bidang, dan pemantulan gelombang yang bentuknya berubah-ubah dapat dianggap sebagai pantulan sekumpulan gelombang bidang. Banyaknya gelombang pantulan dan gelombang bias yang timbul ditentukan oleh sifat sifat elastis media dan banyaknya akustik. cabang-cabang yang ada di dalamnya. Karena kondisi batas, proyeksi ke bidang antarmuka vektor gelombang datang, gelombang pantul dan gelombang bias adalah sama satu sama lain (Gbr. 1).

Beras. 1. Skema pemantulan dan pembiasan gelombang suara pipih pada antarmuka datar.

Oleh karena itu hukum pemantulan dan pembiasan mengikuti Krimea: 1) vektor gelombang datang k Saya, mencerminkan k R dan dibiaskan k T gelombang dan normal tidak" ke antarmuka mereka terletak pada bidang yang sama (bidang datang); 2) perbandingan sinus sudut datang refleksi dan refraksi terhadap kecepatan fasa c saya, dan gelombang-gelombang yang bersesuaian sama besarnya:
(indeks dan menunjukkan polarisasi gelombang yang dipantulkan dan dibiaskan). Dalam media isotropik, di mana arah vektor gelombang bertepatan dengan arah sinar suara, hukum pemantulan dan pembiasan mengambil bentuk hukum Snell yang lazim. Dalam media anisotropik, hukum pemantulan hanya menentukan arah normal gelombang; bagaimana sinar bias atau sinar pantul merambat bergantung pada arah kecepatan radial yang sesuai dengan normalnya.
Pada sudut datang yang cukup kecil, semua gelombang yang dipantulkan dan dibiaskan adalah gelombang bidang yang membawa energi radiasi datang dari antarmuka. Namun jika kecepatan untuk k-l. kecepatan gelombang yang dibiaskan c saya gelombang datang, maka untuk sudut datang lebih besar dari yang disebut. kritis sudut = arcsin, komponen normal vektor gelombang dari gelombang bias yang sesuai menjadi imajiner, dan gelombang yang ditransmisikan itu sendiri berubah menjadi gelombang tidak homogen yang berjalan di sepanjang antarmuka dan berkurang secara eksponensial jauh ke dalam medium 2 . Namun, datangnya gelombang pada antarmuka dengan sudut yang lebih besar dari sudut kritis mungkin tidak menyebabkan pemantulan sempurna, karena energi radiasi datang dapat menembus media ke-2 dalam bentuk gelombang dengan polarisasi berbeda.
Kritis sudut juga ada untuk gelombang yang dipantulkan jika, di O.Z. terjadi konversi mode dan kecepatan fasa gelombang yang dihasilkan dari konversi tersebut lebih besar dari kecepatannya c saya gelombang jatuh. Untuk sudut datang kurang dari kritis. sudut, sebagian energi datang terbawa dari batas dalam bentuk gelombang pantulan dengan polarisasi; pada gelombang seperti itu ternyata tidak homogen, melemah jauh ke dalam medium 1, dan tidak mengambil bagian dalam transfer energi dari antarmuka. Misalnya saja kritis sudut = arcsin( C t/c L) terjadi ketika akustik transversal dipantulkan. ombak T dari batas padatan isotropik dan konversinya menjadi gelombang longitudinal L (dengan t dan C L- kecepatan gelombang suara transversal dan longitudinal, masing-masing).
Amplitudo gelombang yang dipantulkan dan dibiaskan sesuai dengan kondisi batas dinyatakan secara linier melalui amplitudo dan saya gelombang datang, seperti halnya besaran-besaran dalam optik yang dinyatakan melalui amplitudo datangnya el-magn. gelombang menggunakan Rumus Fresnel. Refleksi gelombang bidang secara kuantitatif dicirikan oleh koefisien amplitudo. pantulan, yaitu perbandingan amplitudo gelombang pantulan dengan amplitudo gelombang datang: = Koefisien amplitudo. refleksi dalam kasus umum rumit: modulnya menentukan relasi abs. nilai amplitudo, dan fase menentukan pergeseran fase gelombang yang dipantulkan. Koefisien amplitudo ditentukan dengan cara yang sama. lewat Redistribusi energi radiasi datang antara gelombang yang dipantulkan dan dibiaskan ditandai dengan suatu koefisien. refleksi dan transmisi intensitas, yang merupakan rasio komponen kerapatan fluks energi rata-rata waktu yang normal terhadap antarmuka pada gelombang yang dipantulkan (dibiaskan) dan datang:

di mana adalah intensitas suara pada gelombang yang bersangkutan, dan merupakan kepadatan media yang bersentuhan. Keseimbangan energi yang disuplai ke antarmuka dan terbawa darinya direduksi menjadi keseimbangan komponen normal aliran energi:

Koefisien. refleksi bergantung pada akustik. sifat media kontak, dan sudut datang. Karakter sudut ketergantungan ditentukan oleh adanya kritis sudut, serta sudut refleksi nol, ketika jatuh di bawahnya, gelombang pantulan dengan polarisasi tidak terbentuk.

HAI.z. pada antarmuka dua cairan. Naib. gambar sederhana O. z. terjadi pada antarmuka antara dua cairan. Dalam hal ini, tidak ada konversi gelombang, dan pemantulan terjadi menurut hukum cermin, dan koefisien. refleksi adalah sama

dimana dan C 1.2 - kepadatan dan kecepatan suara di media yang berdekatan 1 Dan 2 . Jika cepat rambat bunyi pada gelombang datang lebih besar daripada cepat rambat bunyi pada gelombang bias ( Dengan 1 >C 2), maka kritis. tidak ada sudut. Koefisien. refleksi valid dan bervariasi dengan lancar dari nilai

dengan kejadian gelombang normal pada antarmuka ke suatu nilai R=- 1 untuk geser jatuh Jika akustik. impedansi r 2 s 2 sedang 2 impedansi medium yang lebih besar 1 , lalu pada sudut datang

koefisien refleksi menghilang dan semua radiasi yang datang sepenuhnya berpindah ke medium 2 .
Kapan dari 1<с 2 , возникает критический угол=arcsin (C 1 /C 2). Pada< коэф. отражения - действительная величина; фазовый сдвиг между падающей и отражённой волнами отсутствует. Величина коэф. отражения меняется от значения R0 dengan penurunan normal ke R= 1 pada sudut datang yang sama dengan sudut kritis. Refleksi nol juga dapat terjadi dalam hal ini jika untuk akustik impedansi media, berlaku ketimpangan terbalik Sudut pantulan nol masih ditentukan oleh persamaan (6). Untuk sudut datang yang lebih besar dari sudut kritis, terdapat internal lengkap cerminan: dan radiasi insiden jauh ke dalam medium 2 tidak menembus. Di lingkungan 2 , namun, gelombang tidak seragam terbentuk; Kompleksitas koefisien dikaitkan dengan kemunculannya. refleksi dan pergeseran fasa yang sesuai antara gelombang pantulan dan gelombang datang. Pergeseran ini dijelaskan oleh fakta bahwa bidang gelombang pantulan terbentuk sebagai akibat dari interferensi dua bidang: gelombang pantulan spekular dan gelombang yang dipancarkan kembali ke medium. 1 gelombang tidak homogen yang timbul pada medium 2 . Ketika memantulkan gelombang non-bidang (misalnya, bola), gelombang yang dipancarkan kembali tersebut sebenarnya diamati dalam percobaan dalam bentuk yang disebut. gelombang samping (lihat Ombak, bagian Pemantulan dan pembiasan gelombang).

HAI.z. dari batas padat. Sifat pemantulan menjadi lebih rumit jika reflektornya berupa benda padat. Ketika kecepatan suara Dengan dalam cairan kecepatan longitudinalnya lebih kecil L dan melintang Dengan tidak terdengar masuk tubuh padat, ketika dipantulkan pada batas zat cair dengan benda padat, timbul dua kondisi kritis. sudut: memanjang= arcsin ( s / s L) dan melintang = arcsin ( s/s T ) . Pada saat yang sama, sejak dulu dengan L > dengan t.Pada sudut datang koefisien. refleksinya valid (Gbr. 2). Radiasi datang menembus benda padat dalam bentuk gelombang bias memanjang dan melintang. Pada kejadian normal bunyi pada benda padat, hanya gelombang longitudinal yang timbul dan besarnya R 0 ditentukan oleh rasio akustik longitudinal. impedansi cairan dan padat serupa dengan f-le (5) ( - massa jenis cairan dan padat).

Beras. 2. Ketergantungan modulus koefisien pantulan bunyi | R | (garis padat) dan fase-fasenya (garis putus-putus) pada batas benda cair dan padat dari sudut datang.

Pada > koefisien pemantulan menjadi kompleks, karena gelombang tidak homogen terbentuk pada benda padat di dekat batas. Pada sudut datang antara kritis sudut dan sebagian radiasi datang menembus jauh ke dalam benda padat dalam bentuk gelombang transversal yang dibiaskan. Oleh karena itu untuk<<величина лишь при поперечная волна не образуется и |R|= 1. Partisipasi gelombang longitudinal yang tidak seragam dalam pembentukan radiasi pantulan menyebabkan, seperti pada batas dua cairan, pergeseran fasa gelombang pantulan. Di> ada internal yang lengkap pemantulan: 1. Pada benda padat di dekat batas, hanya terbentuk gelombang tak homogen yang jatuh secara eksponensial ke dalam benda tersebut. Pergeseran fasa gelombang pantulan sebesar sudut terutama disebabkan oleh eksitasi fluida yang bocor pada antarmuka Gelombang Rayleigh. Gelombang seperti itu timbul pada batas benda padat dengan zat cair dengan sudut datang mendekati sudut Rayleigh = arcsin ( s/s R), Di mana C R- Cepat rambat gelombang Rayleigh pada permukaan benda padat. Menyebar di sepanjang antarmuka, gelombang yang bocor dipancarkan kembali sepenuhnya ke dalam cairan.
Jika Dengan > Dengan t, lalu internal penuh. tidak ada pemantulan pada batas cairan dengan benda padat: radiasi datang menembus benda padat pada sudut datang mana pun, setidaknya dalam bentuk gelombang transversal. Refleksi total terjadi ketika gelombang suara jatuh di bawah titik kritis. jatuh miring atau geser. Ketika koefisien c>c L. refleksi valid, karena gelombang tidak homogen tidak terbentuk pada antarmuka.
O. z., menyebar dalam benda padat. Ketika bunyi merambat dalam padatan isotropik, tegangan maks. Pemantulan gelombang geser bersifat sederhana, arah osilasinya sejajar dengan bidang antarmuka. Tidak ada konversi mode pada pemantulan atau pembiasan gelombang tersebut. Ketika jatuh pada batas bebas atau antarmuka dengan cairan, gelombang seperti itu dipantulkan sepenuhnya ( R= 1) menurut hukum pemantulan cermin. Pada antarmuka antara dua padatan isotropik, bersama dengan gelombang yang dipantulkan secara spekuler dalam medium 2 gelombang bias terbentuk dengan polarisasi yang juga sejajar dengan antarmuka.
Ketika gelombang transversal, yang terpolarisasi pada bidang datangnya, jatuh pada permukaan bebas suatu benda, baik gelombang transversal yang dipantulkan dengan polarisasi yang sama maupun gelombang longitudinal muncul pada batasnya. Pada sudut datang kurang dari sudut kritis = = arcsin ( c T /c L), koefisien refleksi R T dan RL- murni nyata: gelombang pantulan meninggalkan batas tepat sefase (atau antifase) dengan gelombang datang. Pada > hanya gelombang transversal yang dipantulkan secara spekuler yang meninggalkan batas; Gelombang longitudinal yang tidak homogen terbentuk di dekat permukaan bebas.
Koefisien. pemantulan menjadi kompleks, dan terjadi pergeseran fasa antara gelombang pantul dan gelombang datang, yang besarnya bergantung pada sudut datang. Ketika gelombang longitudinal dipantulkan dari permukaan bebas benda padat pada sembarang sudut datang, muncul gelombang memanjang yang dipantulkan dan gelombang transversal yang terpolarisasi pada bidang datang.
Jika batas benda padat bersentuhan dengan zat cair, maka ketika gelombang (membujur atau melintang, terpolarisasi pada bidang datang) dipantulkan dalam zat cair, gelombang memanjang yang dibiaskan juga akan muncul. Pada antarmuka antara dua media padat isotropik, gelombang transversal yang dibiaskan dalam medium ditambahkan ke sistem gelombang pantulan dan gelombang bias ini. 2 . Polarisasinya juga terletak pada bidang kejadian.

TENTANG. H. pada antarmuka media anisotropik. HAI.z. pada antarmuka kristal. lingkungan hidup itu rumit. Kecepatan gelombang yang dipantulkan dan dibiaskan dalam hal ini sendiri merupakan fungsi dari sudut pemantulan dan pembiasan (lihat. Akustik kristal;) Oleh karena itu, bahkan menentukan sudut dari sudut datang tertentu memerlukan perhitungan yang serius. kesulitan. Jika penampang permukaan vektor gelombang terhadap bidang datang diketahui, maka digunakan diagram grafis. metode untuk menentukan sudut dan ujung vektor gelombang k r dan k T berbaring tegak lurus tidak", ditarik ke antarmuka melalui ujung vektor gelombang k Saya gelombang datang, pada titik-titik perpotongan tegak lurus ini dengan dif. rongga permukaan vektor gelombang (Gbr. 3). Jumlah gelombang yang dipantulkan (atau dibiaskan) yang sebenarnya merambat dari antarmuka ke kedalaman medium yang bersangkutan ditentukan oleh berapa banyak rongga yang berpotongan tegak lurus. tidak". Jika persimpangan dengan k-l. rongga tidak ada, ini berarti gelombang dengan polarisasi yang sesuai ternyata tidak homogen dan tidak mentransfer energi dari batas. Tegak lurus tidak" dapat melintasi rongga yang sama beberapa kali. poin (poin A 1 dan sebuah 2 pada Gambar. 3). Dari kemungkinan posisi vektor gelombang k R (atau kt) sebenarnya gelombang yang diamati hanya sesuai dengan gelombang yang vektor kecepatan radialnya bertepatan dengan vektor kecepatan eksternal. normal terhadap permukaan vektor gelombang, diarahkan dari batas ke kedalaman medium yang bersangkutan.

Beras. 3. Metode grafis untuk menentukan sudut pantulan dan bias pada antarmuka antara media kristal 1 Dan 2. L, KA Dan ST- permukaan vektor gelombang masing-masing untuk gelombang kuasi-transversal kuasi-longitudinal, cepat dan lambat.

Biasanya, gelombang yang dipantulkan (dibiaskan) memiliki tipe yang berbeda-beda. cabang akustik fluktuasi. Namun, dalam kristal co artinya. anisotropi, ketika permukaan vektor gelombang memiliki bagian cekung (Gbr. 4), pemantulan dimungkinkan dengan pembentukan dua gelombang yang dipantulkan atau dibiaskan yang termasuk dalam cabang osilasi yang sama.
Secara eksperimental, berkas gelombang suara berhingga diamati, arah rambatnya ditentukan oleh kecepatan radial. Arah sinar dalam kristal berbeda secara signifikan dari arah vektor gelombang yang bersangkutan. Kecepatan radial gelombang datang, gelombang pantulan dan gelombang bias terletak pada bidang yang sama hanya dalam kasus luar biasa, misalnya. ketika bidang datang adalah bidang simetri kedua kristal. rata-rata Secara umum, sinar pantul dan sinar bias menempati berbagai posisi baik terhadap satu sama lain maupun terhadap sinar datang dan garis normal. tidak" ke antarmuka. Secara khusus, sinar pantul dapat terletak pada bidang datang pada sisi garis normal yang sama N, sebagai sinar datang. Kasus pembatas dari kemungkinan ini adalah superposisi berkas pantulan pada berkas datang ketika berkas tersebut datang secara miring.

Beras. 4. Pemantulan gelombang akustik yang datang pada permukaan bebas kristal dengan terbentuknya dua gelombang pantulan yang polarisasinya sama: A- Penentuan vektor gelombang gelombang pantul (dengan G- vektor kecepatan radial); B- diagram pemantulan berkas bunyi pada penampang berhingga.

Pengaruh redaman terhadap karakter O. z. . Koefisien. pemantulan dan transmisi tidak bergantung pada frekuensi bunyi jika redaman bunyi pada kedua media batas dapat diabaikan. Redaman yang nyata tidak hanya menyebabkan ketergantungan frekuensi pada koefisien. refleksi R, tetapi juga mendistorsi ketergantungannya pada sudut datang, terutama di dekat titik kritis. sudut (Gbr. 5, A). Ketika dipantulkan dari antarmuka cair-padat, efek redaman secara signifikan mengubah ketergantungan sudut R pada sudut datang dekat dengan sudut Rayleigh (Gbr. 2). 5B). Pada batas media dengan redaman yang dapat diabaikan pada sudut datang seperti itu, terjadi pemantulan internal total dan | R| = 1 (kurva 1 pada Gambar. 5, B). Kehadiran redaman mengarah pada fakta bahwa | R| menjadi kurang dari 1, dan minimum terbentuk di dekatnya | R| (kurva 2 - 4) . Ketika frekuensi meningkat dan peningkatan koefisien yang sesuai. Redaman, kedalaman minimum bertambah hingga akhirnya pada frekuensi tertentu F 0, dipanggil frekuensi refleksi nol, min. arti | R| tidak akan hilang (kurva 3 , beras. 5, B). Peningkatan lebih lanjut dalam frekuensi menyebabkan perluasan minimum (kurva 4 ) dan pengaruh efek atenuasi pada O.Z. untuk hampir semua sudut datang (kurva 5) . Penurunan amplitudo gelombang pantulan dibandingkan dengan amplitudo gelombang datang tidak berarti radiasi datang menembus zat padat. Hal ini terkait dengan penyerapan gelombang Rayleigh yang keluar, yang tereksitasi oleh radiasi datang dan berpartisipasi dalam pembentukan gelombang pantulan. Ketika frekuensi audio F sama dengan frekuensi F 0, semua energi gelombang datang dihamburkan pada antarmuka.

Beras. 5. Ketergantungan sudut | R| pada antarmuka air-baja, dengan mempertimbangkan redaman: A- sifat umum ketergantungan sudut | R|; garis padat - tidak termasuk kerugian, garis putus-putus - sama dengan atenuasi diperhitungkan; B- ketergantungan sudut | R\ dekat sudut Rayleigh pada nilai serapan gelombang transversal yang berbeda pada baja pada suatu panjang gelombang. kurva 1 - 5 sesuai dengan peningkatan parameter ini dari nilai 3 x 10 -4 (kurva 1 ) ke nilai = 1 (kurva 5) karena peningkatan frekuensi insiden radiasi ultrasonik.

HAI.z. dari lapisan dan pelat. HAI.z. dari lapisan atau pelat bersifat resonansi. Gelombang yang dipantulkan dan ditransmisikan terbentuk sebagai hasil pemantulan berulang gelombang pada batas lapisan. Dalam kasus lapisan cair, gelombang datang menembus lapisan tersebut pada sudut bias yang ditentukan dari hukum Snell. Karena pemantulan ulang, gelombang longitudinal muncul di lapisan itu sendiri, merambat ke arah depan dan belakang dengan sudut terhadap garis normal yang ditarik ke batas lapisan (Gbr. 6, A). Sudut adalah sudut bias yang sesuai dengan sudut datang pada batas lapisan. Jika kecepatan suara pada lapisan tersebut Dengan 2 lebih cepat dari kecepatan suara Dengan 1 dalam zat cair disekitarnya, maka sistem gelombang pantulan hanya timbul bila sudut dalam total lebih kecil. refleksi = arcsin(c 1 /c 2). Namun, untuk lapisan yang cukup tipis, gelombang yang ditransmisikan juga terbentuk pada sudut datang yang lebih besar dari sudut kritis. Dalam hal ini, koefisiennya pantulan dari layer tersebut ternyata abs. nilainya kurang dari 1. Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa ketika gelombang tidak seragam muncul di lapisan dekat batas tempat jatuhnya gelombang dari luar, yang meluruh secara eksponensial ke kedalaman lapisan. Jika ketebalan lapisan D kurang dari atau sebanding dengan kedalaman penetrasi gelombang tak homogen, maka gelombang tak homogen mengganggu batas berlawanan lapisan, akibatnya gelombang yang ditransmisikan dipancarkan darinya ke cairan di sekitarnya. Fenomena kebocoran gelombang ini analog dengan kebocoran suatu partikel melalui penghalang potensial dalam mekanika kuantum.
Koefisien. refleksi lapisan

dimana adalah komponen normal vektor gelombang pada lapisan, sumbu z- tegak lurus terhadap batas lapisan, R 1 dan R 2 - koefisien HAI.z. masing-masing pada batas atas dan batas bawah. Pada mewakili periodik fungsi frekuensi audio F dan ketebalan lapisan D. Ketika ada penetrasi gelombang melalui lapisan, | R | dengan meningkatnya F atau D monoton cenderung ke 1.

Beras. 6. Pemantulan gelombang bunyi dari lapisan zat cair : A- skema refleksi; 1 - cairan di sekitarnya; 2 - lapisan; b - ketergantungan modulus koefisien refleksi | R| dari sudut datangnya.

Berapakah nilai fungsi sudut datang | R | memiliki sistem maxima dan minima (Gbr. 6, B). Jika terdapat cairan yang sama pada kedua sisi lapisan, maka pada titik minimum R= 0. Refleksi nol terjadi ketika pergeseran fasa melintasi ketebalan lapisan sama dengan bilangan bulat setengah siklus

dan gelombang-gelombang yang muncul ke medium atas setelah dua pemantulan ulang berturut-turut akan berada dalam antifase dan saling meniadakan. Sebaliknya, semua gelombang pantulan memasuki medium bawah dengan fasa yang sama, dan amplitudo gelombang pancaran menjadi maksimum. Dengan datangnya gelombang normal pada suatu lapisan, transmisi lengkap terjadi ketika sejumlah setengah gelombang bilangan bulat memenuhi ketebalan lapisan: d = Di mana P= 1,2,3,..., - panjang gelombang bunyi pada bahan lapisan; Oleh karena itu, lapisan yang kondisi (8) terpenuhi disebut. setengah gelombang Hubungan (8) bertepatan dengan kondisi adanya gelombang normal pada lapisan cairan bebas. Oleh karena itu, transmisi lengkap melalui lapisan terjadi ketika radiasi yang datang mengeksitasi satu atau beberapa gelombang normal di lapisan tersebut. Karena kontak lapisan dengan cairan di sekitarnya, gelombang normal menjadi bocor: selama perambatannya, ia memancarkan kembali energi radiasi yang datang ke medium yang lebih rendah.
Jika cairan pada sisi berlawanan dari lapisan berbeda, keberadaan lapisan setengah gelombang tidak berpengaruh pada gelombang datang: koefisien. refleksi dari lapisan sama dengan koefisien. pantulan dari batas-batas zat cair tersebut ketika langsung melewatinya. kontak. Selain lapisan setengah gelombang dalam akustik, serta optik, yang disebut. lapisan seperempat gelombang, yang ketebalannya memenuhi kondisi ( n= 1,2,...). Dengan memilih akustik yang sesuai. impedansi lapisan, Anda bisa mendapatkan refleksi nol dari lapisan gelombang dengan frekuensi tertentu F pada sudut datang tertentu pada lapisan tersebut. Lapisan tersebut digunakan sebagai lapisan akustik antireflektif.
Untuk pemantulan gelombang bunyi dari pelat padat tak terhingga yang direndam dalam zat cair, sifat pemantulan yang dijelaskan di atas untuk lapisan zat cair, in garis besar umum akan bertahan. Pada saat pemantulan pada lempeng, selain memanjang, gelombang geser juga akan tereksitasi. Sudut rambat gelombang longitudinal dan transversal pada pelat berhubungan dengan sudut datang menurut hukum Snell. Sudut dan ketergantungan frekuensi | R| akan mewakili, seperti dalam kasus refleksi dari lapisan cair, sistem maxima dan minima yang bergantian. Transmisi lengkap melalui pelat terjadi ketika radiasi yang datang mengeksitasi salah satu gelombang normal di dalamnya, yaitu gelombang bocor. Gelombang domba.Karakter resonansi O.z. dari lapisan atau pelat terhapus seiring dengan berkurangnya perbedaan akustiknya. sifat-sifat dari sifat-sifat lingkungan. Peningkatan akustik redaman pada lapisan juga menyebabkan perataan ketergantungan dan | R(fd)|.

Pemantulan gelombang bukan bidang. Pada kenyataannya, hanya ada gelombang non-bidang; pantulan mereka dapat direduksi menjadi pantulan sekumpulan gelombang bidang. Monokromatik gelombang dengan muka gelombang yang bentuknya berubah-ubah dapat direpresentasikan sebagai himpunan gelombang bidang dengan frekuensi melingkar yang sama, tetapi frekuensinya berbeda. arah vektor gelombang k. Dasar karakteristik radiasi datang adalah spektrum spasialnya - sekumpulan amplitudo A(k) gelombang bidang, yang bersama-sama membentuk gelombang datang. Abs. nilai k ditentukan oleh frekuensi, sehingga komponen-komponennya tidak berdiri sendiri. Saat dipantulkan dari pesawat z = 0 komponen normal kz diberikan oleh komponen tangensial k x , k y: kz =Setiap gelombang bidang yang termasuk dalam radiasi datang jatuh pada antarmuka dengan sudutnya sendiri dan dipantulkan secara independen dari gelombang lainnya. Bidang F( R) gelombang yang dipantulkan muncul sebagai superposisi dari semua gelombang bidang yang dipantulkan dan dinyatakan melalui spektrum spasial dari radiasi datang A(k x , k y) dan koefisien refleksi R(kx , ky):

Integrasi meluas ke wilayah dengan nilai yang sangat besar kx Dan k kamu. Jika spektrum spasial radiasi datang mengandung (seperti pada pantulan gelombang bola) komponen dengan kx(atau k kamu), besar, maka terbentuklah gelombang pantulan selain gelombang dengan nyata kz Gelombang yang tidak homogen juga ikut ambil bagian k,- kuantitas murni imajiner. Pendekatan ini, yang diusulkan pada tahun 1919 oleh G. Weyl (N. Weyl) dan dikembangkan lebih lanjut dalam konsep optik Fourier, memberikan hal berikut. deskripsi pemantulan gelombang yang bentuknya berubah-ubah dari permukaan datar.
Saat mempertimbangkan O. z. Pendekatan radiasi juga dimungkinkan, yang didasarkan pada prinsip-prinsip akustik geometris. Radiasi insiden dianggap sebagai sekumpulan sinar yang berinteraksi dengan antarmuka. Dalam hal ini, diperhitungkan bahwa sinar datang tidak hanya dipantulkan dan dibiaskan dengan cara biasa, mematuhi hukum Snell, tetapi juga bahwa beberapa sinar yang datang pada antarmuka pada sudut tertentu menggairahkan apa yang disebut. gelombang lateral, serta gelombang permukaan bocor (Rayleigh, dll.) atau mode pandu gelombang bocor (gelombang Lamb, dll.). Menyebar di sepanjang antarmuka, gelombang tersebut dipancarkan kembali ke medium dan berpartisipasi dalam pembentukan gelombang yang dipantulkan. Untuk latihan dasar. yang penting adalah refleksi bola. gelombang yang terkolimasi oleh gelombang akustik. pancaran bagian terbatas dan pancaran suara terfokus.

Refleksi gelombang bola. Pola refleksinya berbentuk bola. gelombang yang tercipta dalam cairan I oleh sumber titik TENTANG, tergantung pada hubungan antara kecepatan suara Dengan 1 dan dari 2 hingga menghubungi cairan I dan II (Gbr. 7). Jika c t > c 2, maka kritis. Tidak ada sudut dan pemantulan terjadi menurut hukum geometri. akustik. Pada medium I, muncul partikel bola yang dipantulkan. gelombang: sinar pantul berpotongan di suatu titik TENTANG". membentuk bayangan maya sumber, dan muka gelombang dari gelombang pantulan merupakan bagian bola yang berpusat di titik tersebut TENTANG".

Beras. 7. Refleksi gelombang bola pada antarmuka antara dua cairan: TENTANG Dan TENTANG"- sumber nyata dan imajiner; 1 - bagian depan gelombang bola yang dipantulkan; 2 - bagian depan gelombang yang dibiaskan; 3 - muka gelombang samping.

Kapan c 2 >c l dan ada yang kritis sudut pada medium I ditambah bola pantul. gelombang, komponen lain dari radiasi yang dipantulkan muncul. Sinar yang datang pada antarmuka di bawah kritis sudut membangkitkan gelombang II dalam medium, ujung-ujungnya merambat dengan kecepatan Dengan 2 sepanjang permukaan antarmuka dan dipancarkan kembali ke media I, membentuk apa yang disebut. gelombang samping. Bagian depannya dibentuk oleh titik-titik, yang dicapai pada saat yang sama oleh sinar-sinar yang meninggalkan titik tersebut TENTANG bersama OA dan kemudian dipindahkan lagi ke lingkungan I dalam dekomposisi. titik antarmuka dari titik A ke titik DENGAN, di mana pada saat ini bagian depan gelombang yang dibiaskan berada. Pada bidang gambar, bagian depan gelombang lateral adalah segmen lurus TIDAK, miring ke batas pada suatu sudut dan memanjang ke suatu titik DI DALAM, di mana ia bertemu dengan bagian depan bola yang dipantulkan cermin. ombak. Di ruang angkasa, bagian depan gelombang lateral adalah permukaan kerucut terpotong yang muncul ketika suatu segmen berputar TIDAK mengelilingi garis lurus OO". Jika dipantulkan, berbentuk bulat. gelombang dalam cairan dari permukaan benda padat mirip dengan gelombang kerucut. gelombang terbentuk karena eksitasi gelombang Rayleigh yang bocor pada antarmuka. Refleksi berbentuk bola gelombang adalah salah satu eksperimen utama. metode geoakustik, seismologi, hidroakustik, dan akustik laut.

Refleksi berkas akustik dengan penampang berhingga. Refleksi berkas bunyi terkolimasi, yang muka gelombangnya sebagian besar bagian berkas mendekati datar, terjadi pada sebagian besar sudut datang seolah-olah gelombang bidang dipantulkan. Ketika berkas datang dari zat cair dipantulkan pada antarmuka dengan benda padat, muncullah berkas pantulan, yang bentuknya merupakan bayangan cermin dari distribusi amplitudo berkas datang. Namun, pada sudut datang yang mendekati memanjang, kritis. sudut atau sudut Rayleigh, bersama dengan refleksi specular, eff. eksitasi gelombang Roleigh lateral atau bocor. Bidang sinar pantul dalam hal ini merupakan superposisi sinar pantulan spekular dan gelombang pancaran kembali. Tergantung pada lebar balok, elastis dan sifat kental media yang berbatasan, terjadi pergeseran sinar lateral (paralel) pada bidang antarmuka (yang disebut pergeseran Schoch) (Gbr. 8), atau pelebaran sinar yang signifikan dan munculnya lapisan tipis

Beras. 8. Perpindahan lateral berkas pada saat pemantulan: 1 - sinar datang; 2 - sinar yang dipantulkan secara spekulatif; 3 - sinar pantul nyata.

struktur. Ketika sinar datang pada sudut Rayleigh, sifat distorsi ditentukan oleh rasio antara lebar sinar aku dan radiasi redaman gelombang Rayleigh yang bocor

di mana panjang gelombang bunyi dalam zat cair, A- faktor numerik yang mendekati kesatuan. Jika lebar pancaran jauh lebih besar daripada panjang radiasi. Atenuasi hanya terjadi jika berkas bergeser sepanjang antarmuka sejumlah tertentu.Dalam kasus berkas sempit, karena emisi ulang gelombang permukaan yang bocor, berkas melebar secara signifikan dan tidak lagi simetris (Gbr. 9). Di dalam wilayah yang ditempati oleh berkas pantulan spekular, akibat interferensi, amplitudo minimum nol muncul dan berkas terbagi menjadi dua bagian. Refleksi non-spekular dari collimir. sinar juga timbul pada batas dua zat cair pada sudut datang yang mendekati kritis, serta bila sinar dipantulkan dari lapisan atau pelat.

Beras. 9. Pemantulan berkas bunyi berpenampang berhingga yang jatuh dari zat cair G ke permukaan benda padat T dengan sudut Rayleigh: 1 - sinar datang; 2 - sinar pantulan; A- wilayah amplitudo nol; B- luas ekor balok.

Dalam kasus terakhir, sifat refleksi non-spekular disebabkan oleh eksitasi mode pandu gelombang bocor pada lapisan atau pelat. Gelombang samping dan gelombang bocor memainkan peran penting dalam pemantulan sinar ultrasonik terfokus. Secara khusus, gelombang ini digunakan dalam mikroskop akustik untuk pembentukan akustik gambar dan melakukan besaran, pengukuran.

menyala.: 1) Brekhovskikh L.M., Gelombang di media berlapis, edisi ke-2, M., 1973; 2) Landau L.D., Lifshits E.M., Hidrodinamika, edisi ke-4, M., 1988; 3) Brekhovskikh L.M., Godin O.A., Akustik media berlapis, M., 1989; 4) Сagniard L., Reflexion et refraksi des ondes seismiques progresif, P., 1939; 5) Ewing W. M., Jardetzky W. S., Press F., Gelombang elastis pada media berlapis, N. Y. -, 1957, ch. 3; 6) Au1d B. A., Medan akustik dan gelombang pada benda padat, v. 1 - 2, N.Y.-, 1973; 7) Vertoni H. L., Tamir T., Teori terpadu fenomena sudut Rayleigh untuk berkas akustik pada antarmuka cair-padat, "Appl. Phys.", 1973, v. 2, no.4, hal. 157; 8) Mott G., Koefisien refleksi dan refraksi pada antarmuka fluida-padat, "J. Acoust. Soc. Amer.", 1971, v. 50, no.3 (pt 2), hal. 819; 9) Wesker F. L., Richardson R. L., Pengaruh sifat material pada reflektifitas sudut kritis Rayleigh, "J. Acoust. Soc. Amer.", 1972, v. 51. .V" 5 (pt 2), hal. 1609; 10) Fiorito R., Ubera11 H., Teori resonansi refleksi akustik dan transmisi melalui lapisan fluida, ".I. Akustik. sosial. Amer.", 1979, v. 65, No. 1, p. 9; 11) Fiоrft o R., Madigosky W., S bera 11 H., Teori resonansi gelombang akustik yang berinteraksi dengan lempeng klastik. "J. Akustik. sosial. Amer.", 1979, v. 66, No. 6, p. 1857; 12) Neubauer W. G., Pengamatan radiasi akustik dari permukaan bidang dan lengkung, dalam buku: Akustik fisik. Prinsip dan metode, ed. oleh W. P. Mason, R. N. Thurston, v.10, N.Y.-L., 1973, bab 2.

Jika gelombang suara tidak menemui hambatan pada jalurnya, maka gelombang tersebut merambat secara merata ke segala arah. Namun tidak semua kendala menjadi penghalang baginya.

Ketika menemui hambatan di jalurnya, suara dapat membelok di sekitarnya, dipantulkan, dibiaskan, atau diserap.

Difraksi suara

Kita dapat berbicara dengan seseorang yang berdiri di sudut suatu bangunan, di belakang pohon, atau di belakang pagar, meskipun kita tidak dapat melihatnya. Kita mendengarnya karena suara mampu membelok di sekitar benda-benda tersebut dan menembus area di belakangnya.

Kemampuan gelombang untuk membelok pada suatu rintangan disebut difraksi .

Difraksi terjadi ketika panjang gelombang bunyi melebihi ukuran penghalang. Gelombang suara frekuensi rendah cukup panjang. Misalnya pada frekuensi 100 Hz sama dengan 3,37 m, semakin kecil frekuensinya maka panjangnya semakin besar. Oleh karena itu, gelombang suara dengan mudah membelok di sekitar benda yang sebanding dengannya. Pepohonan di taman sama sekali tidak mengganggu pendengaran kita terhadap suara, karena diameter batangnya jauh lebih kecil dibandingkan panjang gelombang suara.

Berkat difraksi, gelombang suara menembus celah dan lubang pada penghalang dan merambat di belakangnya.

Mari kita letakkan layar datar dengan lubang di jalur gelombang suara.

Dalam hal panjang gelombang suara ƛ jauh lebih besar dari diameter lubang D , atau nilainya kurang lebih sama, maka di balik lubang tersebut suara akan menjangkau seluruh titik pada area yang berada di belakang layar (area bayangan suara). Bagian depan gelombang yang keluar akan terlihat seperti belahan bumi.

Jika ƛ hanya sedikit lebih kecil dari diameter celah, kemudian sebagian besar gelombang merambat lurus, dan sebagian kecil sedikit menyimpang ke samping. Dan jika ƛ apalagi D , seluruh gelombang akan bergerak ke arah depan.

Refleksi suara

Jika gelombang suara mengenai antarmuka antara dua media, mungkin saja varian yang berbeda penyebarannya lebih lanjut. Bunyi dapat dipantulkan dari antarmuka, dapat berpindah ke medium lain tanpa mengubah arah, atau dapat dibiaskan, yaitu berpindah dengan mengubah arahnya.

Misalkan ada hambatan muncul di jalur gelombang suara, yang ukurannya jauh lebih besar daripada panjang gelombangnya, misalnya tebing terjal. Bagaimana perilaku suaranya? Karena hambatan ini tidak dapat diatasi, maka hal itu akan tercermin darinya. Di balik rintangan itu ada zona bayangan akustik .

Bunyi yang dipantulkan dari suatu rintangan disebut gema .

Sifat pantulan gelombang suara bisa berbeda-beda. Hal ini tergantung pada bentuk permukaan reflektif.

Cerminan disebut perubahan arah gelombang bunyi pada antarmuka antara dua media yang berbeda. Ketika dipantulkan, gelombang kembali ke medium asalnya.

Jika permukaannya datar, bunyi dipantulkan seperti seberkas cahaya dipantulkan di cermin.

Sinar bunyi yang dipantulkan dari permukaan cekung terfokus pada satu titik.

Permukaan cembung menghilangkan suara.

Efek dispersi diberikan oleh kolom cembung, cetakan besar, lampu gantung, dll.

Bunyi tidak berpindah dari satu medium ke medium lain, tetapi dipantulkan dari medium tersebut jika massa jenis medium tersebut berbeda secara signifikan. Dengan demikian, bunyi yang muncul di air tidak berpindah ke udara. Tercermin dari antarmuka, ia tetap berada di dalam air. Seseorang yang berdiri di tepi sungai tidak akan mendengar suara ini. Hal ini dijelaskan oleh perbedaan besar impedansi gelombang air dan udara. Dalam akustik, impedansi gelombang sama dengan produk kerapatan medium dan kecepatan suara di dalamnya. Karena hambatan gelombang gas jauh lebih kecil daripada hambatan gelombang zat cair dan padat, ketika gelombang suara menyentuh batas udara dan air, gelombang tersebut akan dipantulkan.

Ikan di dalam air tidak mendengar suara yang muncul di atas permukaan air, namun mereka dapat dengan jelas membedakan suara yang sumbernya adalah benda yang bergetar di dalam air.

Pembiasan suara

Mengubah arah rambat bunyi disebut pembiasan . Fenomena ini terjadi ketika bunyi merambat dari satu medium ke medium lain, dan kecepatan rambatnya di lingkungan tersebut berbeda-beda.

Perbandingan sinus sudut datang dengan sinus sudut pantul sama dengan perbandingan cepat rambat bunyi dalam medium.

Di mana Saya - sudut datang,

R – sudut pantulan,

ayat 1 – kecepatan rambat bunyi pada medium pertama,

ayat 2 – kecepatan rambat bunyi pada medium kedua,

N - Indeks bias.

Pembiasan bunyi disebut pembiasan .

Jika gelombang bunyi tidak jatuh tegak lurus permukaan, melainkan membentuk sudut selain 90°, maka gelombang yang dibiaskan akan menyimpang dari arah gelombang datang.

Pembiasan bunyi tidak hanya dapat diamati pada antarmuka antar media. Gelombang suara dapat mengubah arahnya di lingkungan yang heterogen - atmosfer, lautan.

Di atmosfer, pembiasan disebabkan oleh perubahan suhu udara, kecepatan dan arah pergerakan massa udara. Dan di lautan hal itu muncul karena heterogenitas sifat air - tekanan hidrostatik yang berbeda pada kedalaman yang berbeda, suhu yang berbeda, dan salinitas yang berbeda.

Penyerapan suara

Ketika gelombang suara bertemu dengan suatu permukaan, sebagian energinya diserap. Dan banyaknya energi yang dapat diserap suatu medium dapat ditentukan dengan mengetahui koefisien serapan bunyi. Koefisien ini menunjukkan seberapa besar energi getaran bunyi yang diserap oleh 1 m2 rintangan. Ini memiliki nilai dari 0 hingga 1.

Satuan ukuran serapan bunyi disebut sabin . Itu mendapat namanya dari fisikawan Amerika Wallace Clement Sabin, pendiri akustik arsitektur. 1 sabin adalah energi yang diserap oleh 1 m 2 permukaan yang koefisien serapannya adalah 1. Artinya, permukaan tersebut harus menyerap seluruh energi gelombang bunyi secara mutlak.

Gema

Wallace Sabin

Sifat material untuk menyerap suara banyak digunakan dalam arsitektur. Saat mempelajari akustik Ruang Kuliah, bagian dari Museum Fogg, Wallace Clement Sabin menyimpulkan bahwa ada hubungan antara ukuran aula, kondisi akustik, jenis dan luas bahan penyerap suara dan waktu gaung .

Gema disebut proses pemantulan gelombang bunyi dari rintangan dan redamannya secara bertahap setelah sumber bunyi dimatikan. Di ruang tertutup, suara dapat dipantulkan berulang kali dari dinding dan benda. Akibatnya timbul berbagai sinyal gema yang masing-masing berbunyi seolah-olah terpisah. Efek ini disebut efek gema .

Karakteristik ruangan yang paling penting adalah waktu gaung , yang dimasukkan dan dihitung oleh Sabin.

Di mana V – volume ruangan,

A – penyerapan suara secara umum.

Di mana sebuah saya – koefisien penyerapan suara bahan,

S saya - luas setiap permukaan.

Jika waktu dengungnya lama, bunyinya seolah-olah “berkeliaran” di sekitar aula. Mereka saling tumpang tindih, meredam sumber utama suara, dan aula menjadi bergema. Dengan waktu dengung yang singkat, dinding cepat menyerap suara dan menjadi tumpul. Oleh karena itu, setiap ruangan pasti mempunyai perhitungan pastinya masing-masing.

Berdasarkan perhitungannya, Sabin menyusun bahan penyerap suara sedemikian rupa sehingga “efek gema” berkurang. Dan Boston Symphony Hall, yang dibuat olehnya sebagai konsultan akustik, masih dianggap sebagai salah satu aula terbaik di dunia.