> Техника, страница 47 > Звук

Звук

Звук в технике, изучение условий распространения звуковых волн в различных средах, изучение и создание излучателей и приемников 3. Всякий излучатель и всякий приемник представляют собою некоторую колебательную систему; поэтому в основе технич. акустики, как и акустики (смотрите) вообще, лежит учение о колебаниях, наиболее простым случаем которых являются колебания материальной точки.

I. Общая часть. 1) Звуковые колебания. Материальная точка с массой т, удаленная на расстояние х от своего положения равновесия и находящаяся под действием возвращающей ее упругой силы f= — kx, совершает прямолинейные гармонические колебания, определяемые ур-ием т ^ + кх=0,

где к—множитель, характеризующий упругую силу. Общий интеграл ур-ия, при соответственном подборе начальных условий:

2 nt

~f ’

х=A sin

-»/ι

—амплитуда, ν=Αω—макси-

2 πΐ

ΊΓ ⁼ — Если где А - „ _{v h}мальная скорость точки, Т—период,

= ^2π=τГ. т у

= ωί—фаза колебания, ω

колеблющаяся точка встречает сопротивление (трение), которое может быть представлено как некоторая сила, пропорциональная скорости точки г то ур-ие колебания имеет вид:

^mW* + ^r dt + fes=°.

Общий интеграл этого уравнения: x=e~^6t И/sin сo₀t;

здесь

2л /~ k

^ω° ~T~~V т~

Отсюда видно, что ггт 2π

Г^£

4т²

·, А - —

У т 4т²

больше, чем период колебаний, не встречающих сопротивления (хотя в акусткч. колебаниях это изменение периода незначительно). Наличие множителя показывает, что амплитуды А уменьшаются с течением времени по экспоненциальному закону. Такие колебания называются затухающими. Быстрота убывания амплитуд характеризуется логарифмическ. декрементом затухания А=<5У, причем показатель затухания <5=-А обусловливается величиной трения и массой колеблющейся частицы. Т. о., собственная частота системы=А зависит от ее массы и упругости. Если же на систему или, в простейшем случае, на материальную точку действует некоторая внешняя периодич. сила с периодом Т (как это имеет место, например, в случае приемника звука), то ур-ие колебаний принимает вид

d²x. dx, 7 π · i

rn-jp + r _Tt + кх=В sin pt,

2л где В—амплитуда, р=~

угловая частота внешней силы. Общее решение этого ур-ия: х=e~^dl A sin (ωί — <р) +

=== sin (pt - φ),

в

У г²р^г -г (fe - mp^s)²

что указывает на наличие двух колебаний: собственного—с периодом и вынужденного—с периодом внешней силы. При сближении этих периодов знаменатель второго члена увеличивается, и при равенстве их (р=А) имеем случай резонанса, когда амплитуда вынужденного колебания становится наибольшей и равной

У. Острота резонанса обусловливается затуханием, уменьшаясь с его возрастанием. Если на частицу одновременно действуют несколько внешних периодич. сил, то ее движение делается сложным, и ее отклонение от места покоя в каждый момент времени определяется как сумма отклонений, создаваемых каждой силой в отдельности. Наиболее важным в акустике случаем такого сложения гармонических колебаний является тот, когда периоды внешних сил одинаковы (интерференция колебаний); в результате создается гармонии. колебание того же периода. В частности, при равенстве амплитуд и фаз двух колебаний возникает колебание с удвоенной амплитудой, при противоположных фазах—колебания взаимно уничтожаются. В результате сложения двух колебаний с периодами, близкими друг к другу, возникают периодич. ослабления и усиления звука (б пени я). При равенстве амплитуд слагаемых колебаний с частотами и мгновенное отклонение точки ж=2a cos {bt ’ t) sin (2π t j,

откуда видно, что число биений (то есть обращений амплитуды в 0) за 1 ск. равно разности чисел колебаний. По наличию биений можно установить малые разницы в числах колебаний двух тонов; биения даже совсем слабых или добавочных тонов, входящих в состав сложного звука, легко улавливаются ухом и позволяют выделить из общего 3. тот или другой маскируемый более громкими 3. слабый тон. При одновременном звучании двух сильных тонов разных частот и /₂ возникают еще добавоч-

ные комбинационные (разностные и суммовые) тоны с чи колебаний, которые можно выразить как pf₁ + qf₂, где ρ и q—целые числа. Как показал Гельмгольц, эти добавочные колебания создаются в том случае, когда колебательная система, принимающая 3., обладает свойством асимметрии и ур-ие колебаний имеет еще член, пропорциональный квадрату отклонения:

т ~ + кх + ктХ=0 ;

последний из членов ур-ия всегда положителен, второй—при разных значениях х то положителен, то отрицателен. Несимметричное строение уха служит причиной субъективных комбинационных тонов; существование объективных комбинационных тонов доказывается усилением их резонаторами; из них наиболее сильными бывают тоны нижайших порядков. При интенсивных колебаниях, когда сопротивление можно считать пропорциональным квадрату скорости, ур-ие колебаний под действием двух внешних сил имеет вид:

a-jjY+bx + c (§)²= A sin со+ В sin ω₂ί.

Этим Шефер объясняет возникновение комбинационных тонов от симметрично колеблющейся мембраны. Возникновение комбинационных тонов играет важную роль в передаче и воспроизведении 3.

2) Распространение 3. Колебательное движение, возникшее в упругой среде, передается через эту среду в виде волн. Уравнение волнового процесса ач. ач

ai* ^с дх^г

дает связь между какой-либо из периодически изменяющихся величин (смещение точки, ее скорость, давление, потенциал скоростей) и расстоянием от источника колебаний х. Множитель с представляет скорость распространения волн. Общее решение ур-ия I=/i(X-Ct) + f₂(x + ot), где /i и /₂—произвольные функции, заключает в себе две волны, распространяющиеся в противоположных направлениях. Если источник создает простые гармония, колебания с периодом Т, то мгновенное смещение при распространении только в одном направлении (плоская волна)

ξ=A sin 2π (γ - у) >

где λ=οΤ =~ —длина волны. В зависимости от характера колебаний частиц различаются волны продольные, поперечные и крутильные. Скорость распространения звуковых волн является функцией отношения упругости среды к ее плотности. Для различных типов волн эта ф-ия имеет несколько отличный вид. Так, в твердых телах скорость продольных волн

_ e _1 -μ

^с~~~а ( +μ)Ϋ 1-2μ

где Ε—модуль Юнга первого рода, ρ—плотность, μ—коэфф-т Пуассона; для продольных колебаний

_ Е _i

^С ~ e 2j/i+m ’

а для крутильных колебаний с=у —, где

F—модуль Юнга второго рода. В жидкостях и газах возможны лишь продольные волны, когда каждый элемент объёма подвергается периодич. адиабатным сжатиям и разрежениям, или, что то же самое, периодическим изменениям плотности и давления. Скорость звуковых волн в газах выражается ф-лой Лапласа: с=j/~У у, где р—упругость газа, ρ—плотность, γ =. В жидкостях величина γ м. б. принята равной 1,

так что для них с= А— (β—сжимаемость).

У βο

Наиболее точные измерения скорости 3. в воздухе при 0° (Г. В. Пирс, 1925 г.) дали с₀=331,69±0,06 м/си. Т. к. изменение давления влечет за собой изменение плотности, то само по себе изменение давления газа на скорость 3. в нем не влияет. Однако, при высоких давлениях, когда становятся заметными отступления от закона Бойля-Мариот-та, скорость 3. зависит от давления. Так, Witkowski (1899 г.) для воздуха нашел при 0° и давлениях 1, 30 и 100 atm скорость 3. равной 331,8; 332,1; 355 м/ск. Наоборот, изменения плотности газа на скорость 3. оказывают влияние. Поэтому на скорость 3. в воздухе заметнее всего влияют изменения

Г, учитываемые ф-лой c_t=c₀j/~~. Влажность влияет на с постольку, поскольку она изменяет %. Скорость звука очень больших

C_v

интенсивностей (ы) значительно ооль-ше указанной величины. Приводим данные скорости 3. в различных средах (в м/ск):

Скорость 3. в газах

Аргон 308

Хлор 206

Гелий 971

Светильный газ (+3,6°).. 45»

Кислород 315,5

Водород 1 261

Скорость 3. в жидкостях

Этил, 95%-ный (12°). 1 241

Бензин (17°).. 1166

Керосин (7,2°).. 1 395

Вода дестил. (13°).. 1 441

Скорость 3. в твердых телах

Свинец 1 320

Железо 5 000

Медь 3 900

Цинк 3 690

Дерево (разн. сорта)..з 360—5 300

Стекло 5 950

Пробка 430—530

Воск 880

В зависимости от характера системы, создающей колебания (колебания плоскости, цилиндра, шара), в упругой среде могут возникнуть плоские, цилиндрич., шаровые волны или же их более сложные комбина-ции. Скорость их не зависит от формы волнового фронта. Звуковой процесс в какой-либо среде вполне определен, когда для каждого момента времени известна одна из следующих величин: смещение колеблющейся частицы среды, скорость частицы или избыточное давление в среде. Если изобразить процесс в виде диаграммы, отложив по абсциссам время, по ординатам—одну из этих величин, то получится звуковая кривая, которая м. б. представлена в виде ряда Фурье, содержащего члены, соответствующие основному тону звука и его гармоникам, от числа и интенсивности которых зависит тембр 3.:

п

ί (ί)=Ιο + 2 £»^sin (^Μωί + Vn)

i

Сила 3. есть то количество энергии, к-роё проходит через единицу поверхности-в 1 ск., или, что то же самое, количество энергии, заключенной в цилиндре с основанием в 1 см² и образующей, равной скорости 3. Если смещение точки х=A sin ωί, то амплитуда скорости частицы v=coA и амплитуда давления Ρ=ροωΑ. Для плоской волны сила звука

£>С

Т ’

ω² А²=i-

2 дс

Ρυ

ΊΓ

(Для шаровой волны это выражение лишь приближенное, применимое на расстоянии г» ~ от источника.) Между амплитудой избыточного давления и амплитудой скорости частицы существует прямая зависимость P--=wv, аналогичная закону Ома, почему w называется акустическим сопротивлением среды; w=cq. Произведение акустич. сопротивления на угловую частоту: H=w<o называют акустической жестко-

р стью среды: II=βρω=—. Эта величина характеризует среду в том отношении, что она показывает, как велика должен быть в этой среде амплитуда давления, чтобы создалась определенная амплитуда смещения. По мере удаления от источника сила 3. в сферич. волнах убывает по закону J — у_г (если пренебречь потерями на трение и теплопроводность среды), в цилиндрических—по закону J=у и в плоских остается неизменной. В действительности ослабление 3. благодаря превращению акустич. энергии в другие виды (абсорбция 3. средою) происходит быстрее, и в эти выражения должен быть введен множитель e~^mz, где, по Кирхгофу,

ω² /4. γ-1 Λ

здесь»—коэфф. трения,»—коэфф. тепло

_π 8π²ί²η

проводности. Для воды т=„Д, ·, где η

коэфф. внутреннего трения, значения то таковы:

зес’

Вычисленные

В воздухе.т=1,16 · 10-*· Я-*=1,1· 10-¹³·/⁸

В воде.т=2,63 · К)-*· А-*=1,35 10-¹* - /^а

Отсюда видно, что более короткие волны поглощаются на более близких расстояниях, в силу чего, например, воздушная звуковая сигнализация на дальние расстояния предпочтительна низкими тонами; в то же время поглощение 3. в воде гораздо меньше, чем в воздухе, что делает подводную звуковую сигнализацию более выгодной, чем воздушную. В воздухе волны частотою в 1 500 000 колеб/ск. были еще наблюдаемы, но при частоте в 3 000 000 колеб/ск. звуковые волны в воздухе вследствие их поглощения существовать не могут.

Явления в шаровых волнах более сложны, чем в плоских. В шаровой волне на близких расстояниях от источника существует сдвиг фазы между давлением и скоростью частицы, причем скорость отстает от давления тем больше, чем больше длина волны, но сдвиг фазы уменьшается с расстоянием. Т. о., случай распространения шаровой волны аналогичен прохождению однофазного тока через контур с сопротивлением и самоиндукцией. Считая Р аналогичным амплитуде напряжения, a ν—амплитуде тока, найдем, что сила звука J, аналогичная мощности тока, вьшазится не указанной выше формулой J=(аналогичной формуле мощности тока в контуре без сдвига фазы), а формулой

_Т Р· ν

J=——· COS Ψ у при чем tg ψ=~. На расстоянии г » ~,

то есть когда cos ψ близок к 1, явления можно считать такими же, как и для случая плоских волн.

При прохождении 3. через какую-либо среду особенно важное значение имеет однородность этой среды. Если 3. проходит из одной среды в другую, то на границе происходит отражение по закону: угол падения равен углу отражения. Чем больше различаются между собою акустические жесткости двух сред (или их акустические сопротивления), тем меньше энергии проходит во вторую среду. При равенстве этих величин 3. проходит через границу без ослабления; это наивыгоднейший случай как для излучателя, так и для приемника. Если отношение сопротивлений и жесткостей двух сред ~ ~=п, то количества отраженной

J_R и прошедшей во вторую среду энергии J_D выразятся так:

— Jo

4 п

(τΓ-Γϊ)·

Отношение —=_{+ 1)г}-, которое можно на звать коэффициентом проникновения, имеет такие значения: вода—воздух 0,001167; воздух—медь 0,000054; вода—медь 0,18; вода—сталь 0,13; сталь—воздух 0,00004.Эти величины показывают, какие трудности представляет непосредственное выслушивание

3. распространяющегося под водой. Отражением от неоднородных слоев атмосферы (акустические облака) обусловливаются замечаемые иногда уменьшения дальности при передаче 3. по воздуху. Отражение 3. используется в рупорах и приемных воронках; следует отметить, что у свободного отверстия рупора также происходит отражение, уменьшающее отдачу 3. наружу; такие же вредные отражения происходят во всех местах резкого изменения сечения рупора. При прохождении 3. из среды, акустически более плотной (где скорость 3. меньше), в среду, акустически менее плотную (где скорость 3. больше), может иметь место полное внутреннее отражение. Предельн. угол его при прохождении звукового луча из воздуха в воду равен 13°, из воздуха в медь 5°, из воды в медь 25°.

На акустич. сопротивление влияют t° и движение самой среды (ветер). Если t° непрерывно убывает с высотою, то луч изгибается, обращаясь вогнутостью кверху, почему дальность в горизонтальном направлении уменьшается. При возрастании теып-ры с высотою (как это бывает в ясные ночи) дальность благодаря изгибу луча в обратном направлении (фигура 1), наоборот, увеличивается. В воде дальность передачи 3. в наиболее холодные месяцы (февраль) увеличивается в 3 раза и более благодаря тому, что верхние слои холоднее нижннх и лучизгибается выпуклостью книзу (фигура 2). Если ί° с глубиной понижается, то луч идет, изгибаясь вогнутостью вниз. Аналогично темп-ре влияет ветер; т. к. скорость 3. по ветру больше, чем против него, то, в случае возрастания скорости ветра с высотою, будут наблюдаться изгибания звуковых лучей и изменения дальности (фигура 3). Когда звуковой луч встречает на пути препятствие, то, согласно принципу Гюйгенса, у границы препятствия происходит изгиб волнового фронта, то есть наблюдается явление д и ф-ф р а к ц и и, тем более заметное, чем больше длина волны. Поэтому звуковая тень

Фигура з. образуется лишь от больших преград; она оказывается более заметной при коротких звуковых волнах.

3) Из л у ч е и и е 3. Система, совершающая колебания, передаваемые в окружающую среду, является излучателем акустической энергии, а та, вк-рой возбуждаются колебания иод действием звуковых волн в среде, есть приемник 3. Различают излучатели нулевого, первого, второго и т. д. порядка, согласно порядку бесселевой функции, входящей в выражение потенциала скоростей колеблющейся системы. Уравнение колебаний системы, излучающей энергию, имеет вид:

^М^ + ^КЖ +*®-Bsinpt,

где М =m+m_s—масса излучателя+гидродинамическая масса среды, колеблющейся вместе с излучателем, R—множитель, характеризующий потерю энергии, причем часть потерь обусловлена трением и значительная доля потери энергии системы приходится на излучение; К—множитель, характеризующий упругие свойства излучателя и прилегающего к нему слоя среды.

Фигура 1.

Обратившись снова к аналогии с электрич. током, можно написать ур-ие, аналогичное ур-ию контура с самоиндукцией:

V=w_sv + M~.

Здесь w_s — сопротивление, обусловленное главным образом излучением и называемое сопротивлением излучения. Простейшим излучателем нулевого порядка является невесомый пульсирующий шарик, то есть такой шар, к-рый перио-дически меняет свой ,· объём(фигура4,а).Та- ^:.U кой излучатель со-здает шаровые вол- _аны. Для него величина w_s=Απι^ο (где г — его радиус, о — плотность среды) и сопротивление излучения (при г»Я) w_s, равное Алг-сд, оказываются не зависящими от частоты, но для малых излучателей (г < Я)

4яг⁴£<0⁸

Фигура 4.

логарифмич. декремент излучения A_s=~,

то есть затухание его пропорционально частоте. Простейший излучатель первого порядка—невесомый шарик, совершающий прямолинейные гармонические колебания около некоторого центра (фигура 4, б). Он создает колебания, распространяющиеся по линии его движений; излучения в экваториальной плоскости нет. Здесь сопротивление излучения для случая малого излучателя (г « Я)

сдкb·⁶

где

₇ о) 2 я

^к =,=т;

для случая большого излучателя (г»Я)

w_s=з при г «Я величина m_s=yr*e, а при г »Я

γ1*0

m_s =. Логарифмический декремент (при г « Я) A_s=Ам 0 j^{* 3}, а при г » Я A_s=2π² ~. Излучатель второго порядка—шар, который изменяет свой объём таким образом, что в нем всегда сохраняются две узловые линии (фигура 4, в). В акустике излучатели второго и высших порядков играют малую роль. Практически излучателем нулевого порядка является поршневая мембрана (движущаяся целиком, как поршень), если она окружена бесконечной неподвижной плоскостью и двизкется сквозь отверстие в ней; если же она движется в свободном пространстве, то она—излучатель 1-го порядка. Наиболее важный случай натянутой мембраны, закрепленной по краю, м. б. с достаточным приближением сведен к случаю поршневой мембраны.

Теоретически простейшим приемником является деформируемый шар, находящийся в газообразной или жидкой среде. Чтобы мог осуществляться прием, сжимаемости шара и среды должен быть различны. Релей дает выражение потенциала скоростей такого шара:

Ψ

здесь яУ (P-fi, „ λ-r V P "И V—объём е + 20 шара.

cos

2гт, V

cos - (ct — г); г и а—плоские 12

Т. Э. m. VIII.

полярные координаты его центра (при чем ось координат лежит в направлении фронта плоских волн), β и β — сжимаемости среды и шара, ρ и ρ—плотности среды и шара.

Различие сжимаемостей не создает направленного эффекта, который зависит от различия в плотностях среды и приемника

(второй член: 3 cos а). Можно различать два крайних случая: когда шар почти вполне твердый и когда он почти вполне податлив. В первом случае в нем возникают почти одни изменения давлений (без смещений), во втором—смещения (без изменения давлений). В первом случае мы имеем приемник, реагирующий на изменения давлений («приемник давлений»), во втором—реагирующий на изменения смещений («приемник смещений»). Эти два типа можно сравнить с двумя электрич. приборами—вольтметром и амперметром, реагирующими на напряжение и силу тока. Приемники, как и излучатели, бывают нулевого, первого и высших порядков.

II. Чувствительность уха, ее измерение.

В основе всех расчетов технич. акустики лежит точное знание качеств слуха. Чувствительность уха определяется наименьшим количеством энергии, доставляемой в 1 ск. на 1 еж² при пороге слышимости (или же может быть определена по амплитуде давления или амплитуде скорости воздушных частиц при пороге). Ухо обладает наибольшей чувствительностью в области около 2 000 колебаний в ск. и вовсе не ощущает 3. ниже 10 колебаний в ск. и выше 20 000 колебаний в ск. Эти пределы несколько различны для различных людей. В области 2 000 колебаний в секунду чувствительность уха порядка 10^-9, то есть здесь оно приблизительно в

1 000 000 раз чувствительнее, чем при 50 колебаниях в ск. Вследствие разной чувствительности человека к различным тонам, 3. разных высот, но одинаковой интенсивности кажутся различно громкими. Как меру субъективной громкости (или просто громкости) принимают величину s= 10lg j, где

J₀—сила звука на пороге слышимости. На фигуре 5 нижняя кривая показывает, какова

о ПОЛ.

Высота тома

Фигура 5.

при разных высотах порожная чувствительность уха, а верхняя показывает предель-ную силу 3., при которой получается болевое ощущение в ухе. Эти кривые ограничивают область слуховых ощущений; заштрихованная часть в ней по высоте и громкости соответствует области речи. Т. к. ухо спо-

8 32 I28S2 2SM&32

8 32 128 512 20· W 8)92

Фигура в собно различать 3., отличающиеся по силе (при средней громкости) на 10% и по высоте (при средних высотах) на 0,3%, то во всей области слышимости оно может воспринимать около 300 000 различных по высоте и силе тонов. Исследование чувствительности уха, особенно важное при профессиональном отборе (например для радиотелеграфистов, шоферов, военных акустиков и т. д.), показывает, какая доля площади нормальной слышимости сохранена, чем и характеризуется глухота. Для подобных измерений служат приборы, называемые аудиометрами. На фигуре 6 даны характеристики больных ушей: на фигуре 6, А—ухо сохранило 74% слуха, на фигуре 6, В— всего 12%. При легкой глухоте порог слышимости в области речи, нормально имеющий значение 0,001 дин /см²·, повышается до 0,1 дин/см²; при сильной глухоте (когда разговор еще возможен)— до 1 дин/см²; при пороге в 10 дин/см² разговор можно понимать, только пользуясь усилительными приспособлениями. Когда ухом воспринимаются созвучия, то при звучании достаточно сильных тонов к ним примешиваются еще разностный и другие комбинационные тоны, которые создаются как основными тонами, так и их гармониками. Возникающие благодаря несимметричности колебаний принимающих органов уха (барабанная перепонка) субъективные комбинационные тоны представляют большую важность при передаче и воспроизведении 3. телефонами и громкоговорителями. Комбинационные тоны верхних гармонических почти всегда усиливают основной тон. Т. о., если при передаче речи вовсе исключить основной тон, то, несмотря на большую долю исключенной энергии, это не сильно влияет на характер звука, так как исключенный тон возникает вновь в виде комбинационного тона гармоник. Наоборот, исключение верхних тонов ведет к резкому изменению тембра и уменьшению разборчивости речи, несмотря на малую долю исключенной энергии, так как исключенные тоны ничем не возмещаются. Кроме того, при громких 3. субъективные обертоны возникают даже при первичном чистом синусоидальном тоне; поэтому ощущение чистого тона возможно лишь при малых громкостях.

Одновременное восприятие 3. двумя ушами (бинауральное) позволяет определять направление прихода звуковых волн с точностью до 3—4°, что обусловлено способностью воспринимать весьма малые промежутки времени между приходом 3. к одному и другому ушам. Приборы, служащие для определения направления звука методом бинаурального приема, называются компенсаторами. Подобными звуковыми пеленгаторами пользуются в военном и морском деле, а также для определения скорости 3. в различных телах; по этому же принципу может измеряться скорость ветра.

Определение чувствительности уха требует измерения силы 3. в абсолютной мере.

При громких 3. для этого м. б. применен диск Реле я или фонометр, основанный на принципе диска Релея (Зернов). Кроме того, сила звукам, б. определена по величине давления, оказываемого звуковыми волнами на твердую стенку (Альтберг), к-рое равно D =, где к=°_с^р-. Можно также измерять силу звука по охлаждению (измеряемому болометром) акустическими колебаниями тонкой накаленной проволочки или термоэлемента, находящегося в устьи резонатора, настроенного на тон измеряемого 3. Если источник 3. заканчивается узким отверстием, то сила ветра, исходящего из этого отверстия, также может служить мерой силы 3. В последнее время для измерения 3. часто применяется конденсаторный микрофон, в котором одна из двух очень близко расположенных тонких пластинок конденсатора приходит в колебание под действием звуковых волн. Пе-риодич. изменения емкости такого конденсатора, находящегося под достаточно высоким напряжением, создают в контуре, куда включен этот конденсатор, переменную эдс, измеряемую после усиления. По величине ее можно судить о силе 3. Для измерения чувствительности уха наиболее удобен термофон, состоящий из тонкого ме-таллич. листочка, по к-рому проходят одновременно постоянный и (более слабый) переменный токи звуковой частоты. Периодич. нагревания листка переменным током создают в камере расширения и сжатая воздуха, воспринимаемые как 3. Зная объём камеры термофона, температуру листка и частоту, можно в абсолютных мерах определить силу 3. Для измерения шумов на промышленных предприятиях Баркгаузеи сконструировал прибор, представляющий зуммер, 3. к-рого, слышимый через телефон, может измеримым образом ослабляться. Для измерения силы 3. устанавливается такая громкость 3. в телефоне, которая кажется одинаковой с звуком, слышимым другим ухом.

III. Источники и приемники 3. Источники звука могут быть разделены по таким признакам: 1)"те, у которых масса и упругость распределены равномерно (струна, мембрана, стержень и тому подобное.); 2) те, у которых масса и упругость разделены (например поршневая мембрана диффузорного громкоговорителя). По форме их можно разделить на имеющие одно измерение (струны, стержни, воздушные или жидкие столбы), имеющие два измерения (мембраны, колокола) и имеющие три измерения (кубическ. резонатор). Возбуждение их также м. б. различное: механическое (удар, трение, вдувание), электрическое, магнитное, тепловое. Главнейшие типы излучателей следующие, а) В струне отражением поперечных колебаний от ее концов создаются стоячие волны, причем между концами струны могут образоваться симметрично 1, 2, 3,. узла. Звуковая отдача струны (без деки) незначительна,

б) В стержнях, то есть в твердых телах, поперечные размеры которых соизмеримы с их продольными размерами, могут создаваться продольные, поперечные или крутильные колебания. Создавшиеся в стержне стоячие волны могут образовать узлы на концах или в средних участках стержня, смотря по способу его закрепления. Частным случаем колеблющегося стержня является камертон. в) Колебания воздушного столба в трубе, являющейся акустическ. резонатором, возбуждаются или вдуванием воздуха в одном конце трубы, причем разбивающаяся струя создает вихри (органные трубы), или дрожаниями металлич. язычка, колеблющегося под действием протекающего воздуха (язычковые трубы). Так. обр., труба представляет связанную систему резонатора с механич. возбудителем колебаний. На конце открытой трубы всегда имеется пучность, на конце закрытой—узел стоячих волн, г) Применяемая для воздушной или подводной сигнализации сирена является излучателем нулевого порядка. Акустическая мощность, отдаваемая сиреной под водой, L=/²ί²·10^-6 W, где I—число л воды, проходящей через сирену в 1 ек. д) Поверхностные излучатели в большинстве электро-акустич. приспособлений (телефон, громкоговоритель, подводный передатчик) разделяются на поршневые излучатели и собственно мембраны (смотрите), закрепленные по краю и подвергнутые натяжению, е) Колокола, применяемые в воздушной и подводной сигнализации, представляют собой излучатели 2-го порядка. На фигуре 7 показаны пунктиром деформации звучащего колокола. ж) Для создания ультразвуковых волн (подводная акустика — см. ст. 363) пользуются механическ. колебаниями пьезоэлектрич. кварцевых пластинок, собственная механич. частота которых одинакова с частотою возбуждающего кварц перемен, электр. поля. Пьезоэлектрич. кристаллы сегнетовой соли (NaKC₄H₄0₆-4H₂0) могут служить в качестве телефонов и громкоговорителей, хотя практического применения они не находят. В настоящее время помимо ультразвуковой области в технику входит и пользование инфразвуковыми частотами. Константинеско изобрел способы передачи по гидравлич. трубам переменных давлений с частотою ~ 50 колебаний в ск. и построил акустич. генераторы и моторы; впервые его аппараты были употреблены для сверления скал и для клепания.

Мощные источники звука в виде ов создают особый тип волн — ные волны. Во ной волне возникает чрезвычайно большое давление, к-рое быстро падает сзади волны; толщина сгущенного слоя 6,6-10^-6 сантиметров при избыточном давлении 10 atm и 2,9· 10^-7 сантиметров при давлении 3 000 atm. По мере удаления от места источника звука избыточное давление распределяется более равномерно, и волна принимает характер, близкий к синусоидальному. Скорость распространения таких волн гораздо более обычной скорости 3. Измерения скоростей распространения ных волн в трубках давали величины от 12 до 14 км/ск. Однако, по мере удаления от источника скорость ной волны уменьшается и приближается к нормальной. Так, наприм., скорость

*12

Фигура 7.

3. от выстрела орудия делается нормальной на расстоянии нескольких м от дула. ные волны имеют чрезвычайную дальность распространения—до 400 км, что обусловливается загибом вниз звуковых лучей, доходящих до верхних слоев атмосферы. Благодаря этому между пунктами наиболее далекой слышимости и источником а находится «зона молчания», куда звуковые волны не попадают.

Основным приспособлением для приема 3. является мембрана. В качестве приемников могут применяться или поршневые или натянутые мембраны, закрепленные по краям. Максимальная поглощаемая из звукового поля мощность, при условии резонанса между приемником и акустич. колебаниями в среде, для приемника нулевого порядка г ^р~

^ьтах— 2 сея подчиняется условию, что затухание излучения и затухание поглощения системы должны быть одинаковы. При том же условии наибольшая поглощаемая мощность приемником 1-го порядка

7 ₌ ^р- JL.

“тах 2 ес Зя

Чтобы приемник не искажал звукового поля, размеры его должен быть меньше длины принимаемой волны. Два приемника м. б. помещены один от другого на расстоянии I и не действовать нарушающим образом друг на друга, если i > 32 Я в случае приемника нулевого порядка и I > 16 Я в случае приемника 1-го порядка. Для целей телефонии мембрана не должна иметь резко выраженных собственных частот, или они должны лежать вне области частот принимаемых 3. Обычно воспринятый звук превращается в электрич. колебания, что выполняется микрофонами (смотрите). Последние применяются различных типов, в том числе пьезоэлектрические (из сегнетовой соли или из пьезокварца), применяемые в подводной акустике для приема ультразвуковых волн. Превращение 3. в электрич. колебания имеет то преимущество, что позволяет принятый 3. произвольно усилить посредством усилителей с электронными лампами.

Чтобы отметить момент прихода 3., приемные микрофоны соединяют с записывающим приспособлением, и момент прихода звука регистрируется на движущейся ленте или вращающемся барабане, где имеются точные отметки времени. Так поступают для определения местоположения стреляющей батареи. Микрофоны помещаются в точках А, В, С (фигура 8), и на центральной приемной станции измеряется время t_t, f ₀ протекшее между приходом

( ) 3. в А и В, и t₂—между при-

ходом 3. в А и С. Из точек В кУ ^А и С строят окружности ради усами ijC и i₂c. После этого Фигура 8. строят окружность, проходящую через точку А и касающуюся двух начерченных окружностей. Центр ее О и есть источник 3., так как AO — tc, OB=(t + t₁)c, OC=(t+t₂)c. При подобной записи каждый раз регистрируются три 3.: 1) 3., распространяющийся со скоростью, большей нормальной скорости

3.,—это звуковая волна, создаваемая снарядом, скорость которого превышает скорость звука; частота этих звуковых колебаний велика; 2) 3. от падения снаряда;

3) 3. выстрела. Измерения ведутся лишь но последней из отметок, и приемник должен быть настроен на низкую частоту, соответствующую частоте 3. выстрела. Мембраны применяются также в целях записи 3., причем их движения записываются резцом на движущемся винтообразно валике (фонограф) или на горизонтальной вращающейся пластинке (граммофон) или же регистрируются оптически посредством зайчика, отраженного от зеркальца, скрепленного с мембраной (ф о и о д е и к Миллера, звуковой осциллограф Казанского). Существует и еще ряд способов записи звука: движения тонкой (1 μ) кварцевой нити, помещенной в устьи рупора, фотографируются на движущейся ленте (Эйтховен); еще более точный метод записи дает применение конденсаторного микрофона вместе с осциллографом или струнным гальванометром. Наконец, в разных системах говорящего кино 3. записывается тоже разными способами. В наиболее разработанной системе Триэргон звуковые волны превращаются посредством катодофона (микрофона без мембраны) в электрич. колебания; переменные токи от катодофона передаются лампе тлеющего света и в виде света переменной интенсивности фиксируются на светочувствительной фильме. Схема расположения Триэргон показана на фигуре 9. Здесь К—като-дофон, У—усилители, Л—лампа тлеющего света, Ф—фильма. При воспроизведении звука лампа С освещает передвигающуюся фильму, и Фигура 9.

прошедший сквозь нее свет попадает на фотоэлемент Т. Ток от фотоэлемента подводится после усиления к электростатическому громкоговорителю (статофону) Г. Запись 3., полученная в виде кривой (фонограммы), подвергается гармонии, анализу, результаты которого обычно выражаются гра-I I фически в виде «аку-

I i 1 I I 1 1111 стич. спектров», где

123 S3 253 366 517 Ш ICS4 И64 _п0 аОСЦИССаМ ОТЛО-

жены частоты, а дли-Фигура 10. на ординат, входя щих в состав графика, указывает на ббльшую или меньшую интенсивность тона, входящего в состав 3. На фигуре 10 показан спектр буквы «а» при тоне 129 колебаний в ск.

IV. Акустика помещений и распространение 3. в земле (геоакустика). Правильное в акустическом отношении построение концертных зал, театров и аудиторий основывается прежде всего на учете всех отражений звуковых волн от стен и потолка. Когда в помещении начинает звучать некоторый источник, например труба, то звуковое равновесие устанавливается не сразу: требуется некоторое время, чтобы привести в движение всю массу воздуха в помещении, после чего ко-

Hs=m=d£

Уф ^г

личество отдаваемой источником энергии остается равным количеству звуковой энергии, проходящей сквозь стены и поглощаемой ими. По прекращении звучания источника повторные отражения от стен заставляют ухо слышать 3. до тех пор, пока сила отражаемого от стен звука не упадет ниже порога слышимости. Это явление называется реверберацией. Явления реверберации - иллюстрирует фигура 11;

Фигура и. на ней по оси×отложе но время ί, а по оси Υ, в относительных единицах,—сила I периодически повторяющихся звуков, например слогов речи. Из фигура 11 можно видеть, что при слишком длительной реверберации 3. набегают один на другой и речь становится неразборчивой. Длительность реверберации определяется выражением i=0,164, где

V—объём помещения, S—поверхность стен, а—коэффициент поглощения звука стенами. Речь тем более разборчива, чем меньше реверберация в помещении, но при музыке в помещении с малой реверберацией 3. оказывается некрасивым и сухим. Поэтому существует оптимум реверберации, который для небольших помещений имеет значение ί=1,06 ск. Для определения оптимума реверберации Лифшиц дал формулу:

l_gy=8,5 + lgS-⁶y^

и Пстцольд — формулу:

i=0,0325 fV + 1.

Оптимальные значения реверберации молено определить по графику фигура 12. Если реверберация в зале слишком велика, ее можно уменьшить, увеличивая поглощение стенами а, для чего их закрывают драпировками или мягкой материей. Помимо неправильной реверберации, недостатками зала могут оказаться образование эхо (отраженного звука, отдаленного по времени от момента создания звука) или появление звуковых фокусов вследствие отражения от вогнутых поверхностей (купола). В этих случаях прибегают к укрытью куполов и снабжают зал более или менее сложной орнаментировкой, рассеивающей отражен, звуковые лучи. Проверка сделанного расчета зала выполняется на модели, изготовленной в виде контура из твердого материала, внутри которого возбуждают волновое движение (в воде); фотографии волн показывают ход отраженных лучей и позволяют сделать нужные исправления. ·

Проникновение 3. из одного помещения в другое возможно или непосредственно по воздуху (например через вентиляционные трубы) или через стены и отдельные части конструкции. В первом случае в воздушном звукопроводе делаются резкие изменения сечения, вызывающие отражение 3. При прохождении 3. через пористую стену энер гия прошедших колебаний убывает с толщиной стены, но она растет вместе со степенью пористости, с размерами пор и с высотою 3. При толстых стенах штукатурка оказывает малое влияние, но при тонких, и особенно при оштукатуренных с двух

сторон, перегородках ее влияние весьма заметно. Стена без пор тем менее звукопро-водна, чем более она тяжела и чем больше число колебаний передаваемого звука. Плотный материал почти непроницаем для 3., если только вся плотная преграда в целом не приходит в колебание наподобие мембраны (чего, разумеется, в целях звуковой изоляции следует избегать). Например, слой пробки хуже задерживает 3., чем слой асфальта или глины той же толщины. Вообще те материалы, у которых акустич. жесткость

Фигура 14.

велика, при переносе 3. по воздуху являются лучшими звуковыми изоляторами по сравнению с материалами, имеющими малую жесткость. Наилучшими изоляторами оказываются комбинации из различных материалов (например железо и войлок). Сотрясения, передаваемые мотором полу, по исследованиям Бергера, тем менее заметны, чем меньше вес мотора сравнительно с постаментом и чем менее эластична подкладка под мотором. Результаты его исследований над колебаниями, передаваемыми мотором полу при разных изолирующих подкладках, показаны на фигуре 13, где по абсциссам отложены числа оборотов мотора, а по ординатам—амплитуды колебаний пола (сплошная линия—без прокладки, пунктир—со специальной прокладкой для ослабления сотрясения).

Отсюда видно, что подкладка не при всякой скорости ослабляет со- ф_ИГ. трясения. На фигуре 14 показаны разные способы скрепления машины с фундаментом. Крепление производится через неупругие материалы с малой акустической жесткостью—пробка, войлок, резина (на фигура 14—участки, покрытые точками) и, кроме того, через посредство пружин (фигура 15).

Для обнаружения звука, распространяющегося по земле, применяется геофон, который действует подобно сейсмографу и представляет собой массивный свинцовый

» го го 40 so ео п so so кои“

цилиндр (диам. 5 см), заключенный внутри легкой подвижной деревянной оболочки, охватывающей его по образующей так, что у оснований цилиндра остаются воздушные зазоры. Деревянная оболочка одним основанием прикладывается к скале или земле, другое ее основание соединяется звукопро-водом с ухом. Колебания земли заставляют двигаться деревянный ящичек, тогда как свинец, благодаря инерции, имеет смеще ния меньшие; вследствие этого в пространстве между свинцом и основанием оболочки создаются переменные давления, воспринимаемые как 3. Применяя два геофона, уда-ленные друг от друга и соединенные с обоими ушами, можно определять направление приходящих звуковых волн, пользуясь бинауральным эффектом. Геофоны применяются в военном деле для подслушивания подземных работ неприятеля, при разработ

ках шахт и при разведке горных пород. Если на глубине h залегает плотный слой толщиною Ь, скорость 3. в к-ром больше, чем в верхнем слое, то наблюдатель в точке В (фигура 16) слышит три 3., исходящих от места его создания в точке А: первый^ по поверхности, второй— отраженный от верхней границы слоя (АСВ) и третий—отраженный от его нижней границы (AEDFB). Если точки А и В удалены на большое расстояние, то звук по пути AEDFB может приходить скорее, чем по АСВ. Определяя направление отраженных лучей, можно найти глубину залегания пласта и его толщину.

Лит.: Л и ф ш и ц С. Я., Курс архптектурпой акустики, 2 изд., М., 1927; Ржев кии С. Н„ Слух и речь в свете современных физическ. исследований, Москва—Ленинград, 1928; Berger К,., Die Schall-tcclmik, Brschw., 1926; Aigner Fr., Untenvasser-schaUteclmik, Berlin, 1922; E s с 1 a g н ο n, Acoustique Ues canons ct des projectiles, P., 1921; Handbuch d. Physik, hrsg. v. H. tleiger u. K. Scheel, B. 8—Akustik, Berlin, 1927. Л. Беляков.

Фигура 16.

V. Подводная акустика (гидроакустика),изучение методов передачи звука в воде, его распространение и восприятие приемниками. В последнее время стали широко использовать свойства распространения 3. в воде для целей подводной сигнализации. Применяемые для этого приборы называются гидроакустическими приборами, и назначение их следующее: 1) подводная акустическая связь между кораблями; 2) обнаружение присутствия кораблей в тумане и в ночное время и определение их местонахождения; 3) наблюдение за движением неприятельских кораблей по шуму гребных винтов; 4) звуковое измерение глубин; 5) определение местонахождения айсбергов и присутствия значительных подводных препятствий.

1) Распространение 3. в о-д е. Для подводной сигнализации важно точное знание скорости распространения 3. в воде. Наиболее существенными факторами, влияющими на скорость 3. в воде, являются t°, коэфф. сжатия и соленость воды. Опытные определения коэфф-та сжатия, произведенные Граффи (1837 г.), Рентгеном, Ама-

га и де-Монзи в среднем при 8° дали коэфф. сжатия К=4,75-10^-11 (плотность воды ρ при указанной t° принималась равной 0,998, скорость звука—равной 1441 м/ск). Опыты Вуда и Брауна в 1923 году в заливе Маргарита дали более точные данные скорости: е=1 450 + 4,206ί-0,0336έ² +1,37(5-35) м/ск, где t— темп-pa и S—соленость в °/₀₀. Зависимость скорости 3. от температуры видна из следующей таблицы:

Скорость распространения звука в воде близ водной поверхности при солености 32,Зб%₀.

Авторы	0°	5°	10°	15°
Шумахер по наблюдениям Энмана.	1 442	1463	1 481	1 497
Вуд (Wood) и Браун (Browne).	1 447	1 467	1 486	1 502
Марти.	1 460	1 477	1 492	1 504
Маурер по наблюдениям Тета (Tait).	1 4S3	1 458	1 482	1 505
Маурер по наблюдениям Бьеркнеса (Bjerknes).	1 427	1 450	1 470	1 485
В среднем	1 442	1 464	1 483	1 409

Как видно из таблицы, с увеличением температуры на 1° скорость 3. увеличивается приблизительно на 4 м/ск.

3., удаляясь, постепенно ослабевает в зависимости от свойств среды. Эти свойства среды характеризуются коэфф-том поглощения е^-2*", где г—расстояние от источника, а b =, где η₀ — коэфф-т внутренне го трения. Отсюда следует, что, чем больше частота, тем больше коэфф. поглощения и меньше дальность действия звукового излучения. В виду малой сжимаемости воды, указанный коэфф-т в воде является весьма незначительным. Поглощение звуковой энергии приблизительно в 100 раз меньше при одинаковой частоте и в 2 000 раз меньше при одинаковой волне, нежели в воздухе. Если звуковой источник излучает с 1 см² своей поверхности энергию L₀, то на единицу поверхности приемника, находящегося на расстоянии г, поступает звуковая энергия г _ т *-‘^Ьг.

-°г ~~ ^J-^y0 _rm

где 1<т<2. На практике, в виду незначительных морских глубин по отношению к дальности действия излучателей, принимается нек-рое среднее число, промежуточное между плоской волной (т=1) и шаровой (т=2). Так как коэффициент поглощения в воде настолько незначителен, что им можно пренебречь, то т _ т ¹.

Выгодной звуковой частотой для уха является частота около 2 300 колебаний в ск. Однако, при выборе частоты для гидроакустических излучателей приходится считаться: 1) со стремлением во избежание помехи вынести сигнальную частоту из частот шумов гребных винтов, которые находятся между 300 и 1400 пер/ск.; 2) с частотами, применяемыми различными флотами. Вы-

годной частотой для сигнальных приборов считается 1 050 пер/ск.

2) Излучатели звуковой энер-г и и. а) Простейшим излучателем звуковой энергии под водой является подводный колокол. В отличие от типа церковного колокола масса подводного колокола сосредоточена по краям, что дает уменьшение затухания колебаний. Язык подводного колокола приводится в действие пневматически, электрически или же автоматически ударами морской волны. Частота колебаний в среднем — 1 200 в ск. Дальность действия— около 20 км, в зависимости от конструкции и размера колокола. Такие колокола располагают гл. образом около и устанавливают на дне моря на Сигналы подводных колоколов

1050 1150 пер. ск.

Фигура 17.

маяков треногах. принимаются звуковыми приемниками. На близком расстоянии 3. подводного колокола слышен даже невооруженным ухом в подводной части корабля”.

б) Подводная сирена. Сирены по принципу действия разделяются на вращающиеся и колебательные; первые в свою очередь подразделяются на барабанные и сирены с диском. Кпд сирены весьма незначителен (^2%). В виду малого кпд и неустойчивости работы мембранные передатчики совершенно вытеснили сирену. в) Мембранные излучатели (осциллятор ы). Принцип действия мембранного передатчика заключается в том, что мембрана приводится в колебательное состояние электрически; переменный ток, поступая в осциллятор, приводит в действие мембрану, а последняя, соприкасаясь с водой, передает колебания воде в виде волн разрежений и сжатий. Чем мощнее будут колебания мембраны, тем больше звуковой энергии передается воде. Максимум энергии передается при наличии резонанса между колебаниями мембраны и электрической системы. Механические колебания мембраны определяются ее массой и упругостью. Чем больше затухание, тем меньше будет острота резонанса. Острый резонанс в виду нек-рого колебания частоты переменного тока (что на практике неизбежно) уменьшает кпд излучателя. Влияние остроты на кпд видно из кривой резонанса (фигура 17), снятого с одного мощного излучателя; здесь: а—подводимая электрич. мощность;

Ь — получаемая акустическая мощность; Ь:а—кпд передатчика; а — Ь—электрич. потери в передатчике. Кпд мембранных излучателей ок. 50%. Осцилляторы делятся на электромагнитные и электродинамические. Электродинамич. осциллятор (фигура 18) состоит из следующих главных частей: 1—подвижный медный цилиндр, насаженный на

Фигура 18.

стержень 2 3—диафрагма, являющаяся наружной частью прибора; 4—неподвижный якорь с расположенной на нем обмоткой 5 переменного тока; корпус состоит из двух разъемных частей 6а и 66 с расположенной между ними обмоткой постоянного тока 7; стержень 2 ввинчивается одним концом в диафрагму, а другим концом закрепляется в центре упругого диска 8. Для уравнивания внешнего давления воды внутренняя полость наполняется воздухом, сжатым до 2 atm. Электромагнитные излучатели строятся по принципу обыкновенных телефонов.

На кораблях большого водоизмещения осцилляторы устанавливаются в носовой части корпуса корабля шике ватерлинии

по левому или правому борту, как это показано на фигуре 19. Крепление осцилляторов по обоим бортам корабля придает установке направляющее действие. При наличии осциллятора по одному борту распространение звуковой энергии происходит под углом 180° в сторону нахождения осциллятора; другая сторона будет оттенена корпусом корабля. Обыкновенно корабли снабжаются двумя осцилляторами, расположенными по обоим бортам. На мелких кораблях такое расположение является невыгодным вследствие образования у борта при движении корабля вихревых явлений, создающих помеху для приема. В силу этого обстоятельства на малых судах применяется так называется «мечевое устройство», позволяющее при помощи выдвижного меча регулировать глубину осциллятора. Это устройство допускает уборку осциллятора, когда в нем нет надобности (фигура 20). В отверстие, прорезанное в обшивке корабля, по возможности ближе к килевой части, заделывается цилиндр 1 посредством патрубка 2, сверху и снизу цилиндр снабжен водонепроницаемыми крышками 3 и 4. Нижняя крышка 4 имеет сальник и замыкающий

клапан 5. Через сальник проходит мечевидный стержень в, который прикреплен к поршню. Пустотелый мечевидный стержень делается удобообтекаемой формы. В нижней части стержня, в мечевидной камере прикрепляется осциллятор 7, который имеет 2 мембраны по обеим сторонам гладкой поверхности камеры. Выдвигание и вдвигание мечевидной камеры достигается вручную, пневматически (как показано на фигуре 20) или же при помощи электрич. приспособления. В большин-. стве случаев прибор ста- вится с пневматическим устройством. Правильное положение осциллятора поверяется контрольными лампочками. На кораблях большого водоизмещения для получения «группового эффекта» осцилляторы прикрепляют к борту корабля, располагая их друг над другом. Такое расположение дает направляющее действие по горизонтали. Распространение энергии по вертикали является бесполезным для приема и порождает лишь помеху отражением звука от морского дна. г) Ультракоротковолновые (трансанодные) излучатели. В способе подводной сигнализации Ланже-вена для передачи сигналов применяется т. наз. кварцевый к о н д е н-сатор. Излуча-система со

Фигура 20.

Фигура 21.

ФПГ. 22.

стоит из кварцевых пластинок, склеенных из многих отдельных кусков кварца, имеющих одинаковую толщину и помещенных между двумя одинаковыми стальными пластинками (фигура 21 и 22). Одна из этих стальных пластинок (ί) соприкасается с водой, а другая (2) тщательно изолируется от нее. К этим пластинкам подводятся быстрые элек трические колебания. Система, состоящая из кварца 3 и стальных пластинок, обладает определенной частотой собственных колебаний. Благодаря пьезоэлектрическим свойствам кварца система приводится в колебательное состояние. Для возбуждения пьезо-электрическ. излучателя применяется ламповый генератор незатухающих колебаний, частота которого выбирается равной частоте излучающей системы, около 40 000 колебаний в ск. Такой передатчик имеет свойство излучать звуковой луч в виде конуса с определенным углом растворения а, причем sin α= 1,2 ^, где d—диаметр излучающей по

фигура 23

Фигура 24.

верхности. Отсюда следует, что для получения направленного действия передачи требуется увеличение частоты. Для приема служит точно такая же система пластинок, как и для передач. Приходящие в воде упругие колебания, достигая приемника, приводят в колебательное состояние воспринимающую систему. Благодаря пьезоэлектрич. свойствам кварца в стальных пластинках появляется электрич. разность потенциалов с частотой приходящих колебаний. Стальные пластинки соединяют с ламповым приемником, настроенным на соответствен, частоту.

3) Приемники звуковой энергии. В установках для двусторонней аку-стич. связи осцилляторы б. ч. служат одновременно для приема и для передачи сигналов. В первом случае акустическая энергия превращается в электрическую, а во втором электрическая — в механичеасую. Кроме того, применяются специальные типы приемников для приема шумов (гидр о-ф о н ы). Интересующие нас шумы (гребных винтов, вибрации корабля и другие корабельные шумы) состоят из множества звуков различных частот, составляющих звуковую смесь. Частота отдельных звуков звуковой смеси находится в пределах от 300 до 1500 колебаний в ск. Шумовые приемники проектируются с периодом собственных колебаний, лежащим ближе к нижнему пределу. Шумовые приемники разделяются на электромагнитные, электродинамические и микрофоны инерционного типа. Приемник инерционного типа (фигура 23) состоит из корпуса 2, наружной мембраны приемника 2 и угольного микрофона 3. Микрофон прикрепляется к мембране приемника и действует за счет инерции капсюля. При таком

устройстве изменения гидростатического давления не влияют на действие приемника. Разрез электродинамическ. приемника представлен на фигуре 24. Камера 2 закрыта снаружи мембраной 2; на мембране внутри приемника прикреплен цилиндр 3 с катушкой переменного тока 4. Катушка переменного тока держится специальными держателями 5; 6 — сердечник с катушкой постоянного тока 7. Такой тип приемника применяется главн. обр. при «мечевом» устройстве (фигура 25). Если приемник заделывается в борт корабля, например на подводных лодках, то применяется приемник, показанный на фигуре 26. Электромагнитный приемник представляет собою обыкновенный телефон увеличенных размеров. Шумы и трески, свойственные угольным микрофонам, делают их менее пригодными, хотя они и имеют большую чувствительность, чем дру-

Фигура 25.

гие типы приемников. На военных судах применяются электромагнитные и электро-динамич. приемники; хотя они по чувствительности уступают инерционным микрофонам, но зато обладают постоянством чувствительности и с успехом допускают усиление.

4) Пеленгование. Звуковое пеленгование заключается в определении направления на звуковой источник. Из методов пеленгования различают три главных: теневой, бинауральный и максимальный. а) Теневой метод заключается в том, что если имеются два приемника, отделенные звуковым экраном, и если звуковой источник находится на одинаковом расстоянии от обоих приемников, то 3. принимается обоими приемниками с одинаковой интенсивностью. Если же звуковой источник уклоняется вправо или влево, то тот приемник, к-рый стоит ближе к звуковому источнику, принимает звук с большей интенсивностью, чем тот, к-рый оттеняется звуковым экраном. Если с установленными по обоим бортам приемниками требуется определить направление на звуковой источник по интенсивности 3. в телефоне, то для этого требуется изменение курса корабля. Теневой метод применяется б. ч. на судах коммерч. флота для определения звукового пеленга маяков. б) Б и науральный м е т о д. Предложенный проф. Горнбостелем и Вартхеймером метод основан на том обстоятельстве, что человек реагирует непосредственно на тот маленький промежуток времени, к-рый требуется 3., чтобы, достигнув одного уха, достичь другого, если источник находится в стороне. Эта разница создает у нас впечатление направления. Если источник 3. находится в стороне, на 90°, то отставание определяется промежутком времени, необходимым 3. на прохождение расстояния между нашими ушами, т.е. ~ 21 см; принимая скорость 3. в воздухе равной 33 300 см/ск, получим этот промежуток времени равным 0,0006 ск. Для такого же промежутка времени при прохождении 3. в воде соответствует расстояние 90 см. Если 3. приходит со стороны, то, при соответствующем удлинении и укорочении звукового пути каждого приемника, можно получить впечатление 3., исходящего спереди. Такое укорачивание и удлинение звуковых путей достигается акустич. компенсатором. В электрич. компенсаторе запаздывание и опережение компенсируется введением звеньев дроссельного фильтра, состоящего из емкости и самоиндукции. Каждое звено рассчитывается на запаздывание времени в 3 · 15~’ ск., что при 21 звене дает звуковое перемещение на 90°. На практике бинауральный метод м. б. применен с успехом только в условиях отсутствия посторонних шумов. При длине подводной базы в 90 сантиметров точность пеленгования достигает 1—2°.

в) Максимальный метод. Если два приемника расположены друг от дрлша л на расстоянии ~ и соединены одним и тем же телефоном, то звук, принимаемый от источника, находящегося на одинаковом расстоянии от приемников, дает максимальный эффект. Если же звуковой источник находится на продолжении линии базы, то есть приемники сдвинуты по фазе на 180°, то суммарный эффект двух телефонов равен нулю. Сдвиг фаз приемников компенсируется до получения максимального эффекта. Зву-копеленгование по максимальному способу дает более точные результаты, чем по бинауральному методу. При нормальном соотношении шумов, принимаемых и собственных, точность пеленгования при максимальном методе на расстоянии 4—5 км достигает 1°. Максимальный метод имеет еще то преимущество, что изменение интенсивности звука в телефоне происходит на максимуме, стоящем обыкновенно выше интенсивности мешающих шумов. Благодаря этому ухо, способное реагировать на изменение интенсивности 3. при условии, что мешающие шумы не превышают 20%, свободно может определить пеленг с точностью до 1°.

5) Звуковое измерение глубин. Измерение глубин основано на свойстве отражения звуковых волн. Звуковая волна, исходящая от корабля, отражается со дна в виде эхо к приемнику, установленному на том же корабле. Искомая глубина d определяется из формулы d=I ί, где ν — скорость звука в воде, a ί—промежуток времени мезк-ду отдачей и возвращением звукового луча. Более точная формула имеет вид:

d=c + y^r

где с—глубина погружения приемника и передатчика, Ь—расстояние между приемником и отправителем. Приборы для звукового определения глубин называются эхо-лотами. Главными частями эхо-лота являются звукоотсылатель, звуковой приемник и глубиномер. В качестве звукоотсылателя применяются мощный осциллятор или кварцевый излучатель, позволяющие отсылать громкие и короткие знаки на дно моря. Продолжительный звук может вернуться раньше, чем прекратится первичный 3. Отраженный 3. (эхо) улавливается звукоприемником, расположенным на определенном расстоянии от отсылателя в зависимости от типа установки, и перерабатывается в электрич. ток, который поступает в глубиномер. Глубиномер отмечает промежутки времени по электрич. импульсам и определяет соответствующую промежуткам времени глубину. Регистрация промежутков времени в судовых условиях представляет большие трудности, но, несмотря на это, современные эхо-лоты позволяют определять морские глубины с достаточной для мореплавания точностью.

Лит.: Ai g net Fr., Unterwasserschalltechnik,

В., 1922; Lamb H., Dynamical Theory of Sound, 2 ed., L., 1925; G r a n d о 1 1 9., Theory of Vibrating Systems a. Sound, N. Y., 1926. Г. Кериг.

VI. Звукоулавливатели. В последнее время развивается еще одна отрасль акустики, имеющая значение в военном деле—подслушивание самолетов и определение их положения по 3. Пока не удалось построить приборы, подслушивающие шумы самолетов с достаточно больших расстояний, так как имеющиеся всегда в атмосфере посторонние шумы (ветры и тому подобное.) маскируют слабые 3. далеких аэропланов. Введение усиления 3. не улучшает дела, т. к. усиливаются одновременно и подслушиваемые 3. и 3., их маскирующие. Пока удалось довести подслушивание до дальностей порядка 15—25 км, тогда как в тех же условиях невооруженным ухом шум самолета слышен на 8—9 км. Приборы, определяющие направление на летящий самолет, распадаются на два класса: работающие по принципу отношения интенсивностей звука, приходящих к правому и левому ушам, и по принципу разности времен.

К первому типу относятся т. н. параболоид ы — это отражающие 3. зеркала, имеющие форму параболоида вращения, обычно больших размеров, 2—3 метров в диаметре, но малой глубины. Параболоид при помощи соответственных приспособлений м. б. повернут так, что его ось вращения совпадает с направлением на источник 3.; тогда звуковые волны собираются в фокусе параболоида; однако, вследствие диф-фракции от краев параболоида фокус этот довольно расплывчат. В фокусе помещаются четыре небольших тесно расположенных рупора, одна пара которых трубками соединена с ушами одного, а другая—с ушами другого наблюдателя. Отклонение оси параболоида от на

Фигура 27.

правления на источник 3. заставляет перемещаться фокус интенсивности 3.; поэтому сильнее воспринимает тот рупор, к устью которого перемещается фокус. Наблюдатель, уши которого соединены с этой парой рупоров, воспринимает при этом в одном ухе более громкий 3., чем в другом, и выправляет направление, перемещая параболоид при помощи особого штурвала. Одна пара рупоров с соответственным наблюдателем служит для определения угла направления в вертикальной плоскости, другая—для определения направления этой плоскости.

Другая группа приборов, к которым относится изображенный на фигуре 27 звукоулавливатель америк. образца, построена на принципе разности времен. Как показали исследования Стюарта, Горнбостеля и др., различие во временах прихода 3. к одному и дру гому ушам воспринимается как ощущение прихода 3. со стороны; именно различие во временах в 3 · 10~⁵ ск. воспринимается как уклонение от прямого направления 3. (прямо перед головой наблюдателя) приблизительно в 3°. Поэтому, если соединить уши наблюдателя с двумя вращающимися на вертикальной оси и расставленными на расстояние I рупорами А и В, то при отклонении направления на 3. на угол а (фигура 27),

3. запоздает в рупоре А на время ~ (где V—скорость звука) или, т. к. AG=I sin а, на -^s^ⁿ °. При малых углах отклонения эта

1а величинα= — : т. к. наименьшая ощущае-

мая разница времен есть 3· 10^-5 ск., то наименьший замечаемый угол отклонения есть α= ^~— ; т. о., чем больше база I, тем меньше ошибка а установки рупоров по направлению 3. В звукоулавливателе одна пара рупоров служит для определения угла направления в вертикальной плоскости, другая—в горизонтальной (фигура 28).

Звукоулавливатели различных армий подходят под эти два главных типа, отличаясь обычно лишь частностями. Назначение звукоулавливателей—найти неприятельский самолет ночью или в облаках и дать указание его местонахождения зенитной артиллерии. Обычно звукоулавливатель работает совместно с прожектором и зенитной батареей. В настоящее время такие соединения имеются ПОЧТИ во всех армиях мира. Н. Андреев.