Распространение звука и звукоизоляция



В данной работе представлены результаты исследований закономерностей распространения звука и звукоизолирующих свойств различных материалов. Целью работы также являлось вовлечение студентов СПО в научную проектную деятельность; знакомство с планированием и организацией научных экспериментов, с методами обработки и оформления их результатов. Показано, что при наличии относительно простого оборудования (даже в домашних условиях) можно проводить достаточно серьезные физические эксперименты.

Ключевые слова: звук, звукоизоляция, шумомер, громкость, закон обратных квадратов, метод наименьших квадратов.

Методы

В качестве источника звука использовался смартфон. Приемник (измеритель) — шумомер Benetech GM1351. Benetech GM1351 отображает громкость звука в дБ (децибелах), являющейся относительной единицей, подобной кратности или, например, процентам. В данном случае для оценки уровня интенсивности звука (энергетическая величина, выражаемая в системе СИ в Вт/м ² ) в дБ используется величина, равная десятичному логарифму отношения оцениваемой интенсивности A к интенсивности A ₀ , принимаемой за точку отсчета (например, интенсивность, соответствующая порогу слышимости человеческого органа слуха), умноженному на десять (умножение на 10 переводит белы в децибелы):

.(1)

Шумомер данной марки обладает следующими характеристиками: диапазон измерений — 30÷150 дБ; точность — ±1,5 дБ; частотный диапазон — 31,5÷8500 Гц. Определяет максимальный и минимальный уровни громкости на некотором интервале времени, в течение которого производится измерение.

Для исследований использовались следующие звуковые сигналы:

1) Swing Lynn (Harmless) (0:25–0:45)

– https://www.youtube.com/watch?v=_Paw8ZRSlqY

2) At Doom’s Gate (Mick Gordon) (0:35–0:50)

– https://www.youtube.com/watch?v=Jly9qp40rfw;

3) Sweet Dreams (Eurytmics) (0:00–0:22)

– https://www.youtube.com/watch?v=NNJeKXr1I2w.

В дальнейшем «Трек 1», «Трек 2» и «Трек 3, соответственно.

Производилось измерение минимального и/или максимального уровня громкости на указанном интервале времени звучания трека.

Для построения графиков использовался математический пакет MathCAD. Угловой коэффициент и свободный член в линеаризованных зависимостях рассчитывались с помощью метода наименьших квадратов.

Звукоизолирующие свойства различных материалов

В данном разделе приведены результаты исследования звукоизолирующей способности различных материалов. Измерялась громкость звука при накрывании источника звука оболочкой из соответствующего материала (см. фото на рис.1).

Рис. 1. Источник звука, шумомер, звукоизолирующие оболочки

Схема эксперимента приведена на рисунке 2.

Рис. 2. Схема эксперимента по исследованию звукоизолирующей способности материалов: 1 — динамик (телефон), 2 — микрофон (шумомер), 3 — звукоизолирующая оболочка (экран)

Результаты измерений представлены в таблице 1.

Таблица 1

Результаты измерений громкости звука без изоляции и с ограждением источника

	Трек 1		Трек 2
Материал	Макс.уровень звука A max , дБ	Миним. уровень звука A min , дБ	Макс.уровень звука A max , дБ	Миним.уровень звука A min , дБ
Без ограждения	74,0	70,2	75,0	66,3
Бумага для офисной техники (80 г/м 2 )	70,9	69,8	74,2	64,2
Плотная бумага для рисования (200÷300 г/м 2 )	69,7	66,1	73,4	62,6
Упаковочный картон	68,7	64,1	70,2	55,7
Стекло посудное	65,1	57,4	66,4	49,4

Для наглядности результаты измерений представлены на рисунке 3 в виде столбчатой диаграммы.

Рис. 3. Максимальная и минимальная громкости звука (трек 2) в зависимости от материала экранирующей поверхности. Материалы экранирующей поверхности: 0 — без экрана, 1 — офисная бумага, 2 — плотная бумага для рисования, 3 — пищевой картон, 4 — посудное стекло

Из таблицы и диаграммы можно видеть, что увеличение плотности материала и толщины экранирующей поверхности приводит к увеличению её звукопоглощающей (звукоизолирующей) способности.

Зависимость громкости от расстояния до источника

Раздел содержит результаты исследования зависимости громкости звука от расстояния между источником и приёмником звука (см. фото на рис. 4).

Рис. 4. Источник и приёмник звука, измерение расстояние между ними

Схема экспериментальной установки представлена на рисунке 5.

Рис. 5. Схема эксперимента по исследованию зависимости громкости звука от расстояния: 1 — динамик (телефон), 2 — микрофон (шумомер)

При максимальном сближении телефона и шумомера уровень громкости (трек 2): A _max =98,6 дБ, A _min =91,3 дБ. Результаты измерений громкости при различном расстоянии между источником и приёмником внесены в таблицу 2.

Таблица 2

Результаты измерений

№ измерения	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	Прим.
Расстояние L , см	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100
Макс. уровень звука A max , дБ	86,0	79,5	76,0	74,7	73,5	71,5	69,9	68,4	67,7	66,4	Трек 2
Миним. уровень звука A min , дБ	78,5	67,5	66,6	65,0	3,7	62,1	61,5	59,8	58,6	66,4

График зависимости громкости звука от расстояния между источником и приемником представлен на рисунке 6.

Рис. 6. Зависимость громкости звука от расстояния между источником и приемником

Можно видеть (рис.6), что с увеличением расстояния между источником и приемником громкость звука падает. Очевидный и предсказуемый результат. Каков же характер зависимости? Он явно нелинейный. Из курса физики известно, что если имеется точечный источник излучения или поля (звуковое, световое, радиоактивное, электростатическое, гравитационное и др.), то интенсивность его потока убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от источника (закон обратных квадратов).

Поэтому зависимость громкости звука, выраженной в децибелах, должна быть прямо пропорциональна величине , т. е. ее можно представить в виде уравнения прямой:

,(2)

где a — угловой коэффициент, b — свободный член.

Произведем расчет коэффициентов в уравнении прямой (2) методом наименьших квадратов. Вспомогательные данные для расчета, а также рассчитанные значения коэффициентов внесем в таблицу 3.

Таблица 3

Данные для расчета коэффициентов в уравнении прямой

№ измерения	Расстояние L , см		Макс. уровень звука A max , дБ	Мин. уровень звука A min , дБ
1	10	-2	86,0	78,5
2	20	-2,602	79,5	67,5
3	30	-2,954	76,0	66,6
4	40	-3,204	74,7	65,0
5	50	-3,398	73,5	63,7
6	60	-3,556	71,5	62,1
7	70	-3.690	69,9	61,5
8	80	-3,806	68,4	59,8
9	90	-3,908	67,7	58,6
10	100	-4	66,4	66,4
Угловой коэффициент a			9,49	9,2
Свободный член b			104,6	94,4

Построим график зависимости громкости звука от расстояния в координатах и , т. е. построим график линейной функции (2) (рис.7). Можно видеть, что гипотеза о линейности зависимости подтвердилась. Закон обратных квадратов справедлив.

Рис. 7. Линеаризованный график зависимости громкости звука от расстояния

Влияние слоистости ограждающих конструкций на их звукоизолирующие свойства

Известно, что пористость (слоистость) материала усиливает его различные изоляционные свойства (теплоизоляция, звукоизоляция и др.). В разделе приведены результаты эксперимента по исследованию влияние слоистости материала на его звукопоглощающие (звукоизолирующие) свойства. Схема экспериментальной установки приведена на рисунке 8.

Рис. 8. Схема эксперимента по исследованию поглощения звука многослойными ограждающими конструкциями: 1 — динамик (телефон), 2 — микрофон (шумомер), 3 — звукоизолирующие экраны (один, два, три и т. д.)

В таблице 4 приведены результаты измерения громкости звука при различном числе экранирующих поверхностей.

Таблица 4

Громкость при различном числе экранирующих поверхностей (ограждений)

Число ограждений	0	1	2	3	4	5
Трек 2	82,4 дБ	80,0 дБ	76,0 дБ	71,2 дБ	69,4 дБ	64,8 дБ
Трек 3	73,0 дБ	69,6 дБ	68,7 дБ	67,4 дБ	66,2 дБ	64,8 дБ

График зависимости громкости от числа ограждений представлена на рисунке 9.

Рис. 9. Зависимость громкости звука от числа экранов (1 — трек 2, 2 — трек 3)

График на рис. 9 показывает, что громкость звука линейно уменьшается с возрастанием числа экранирующих поверхностей. То, что для различных треков ослабление громкости звука происходит с разной «скоростью», предположительно, связано с разным спектральным составом используемых в эксперименте звуковых рядов (например, известно, что в атмосфере сильнее поглощаются звуки более высоких частот).

Заключение

В ходе выполнения данной работы авторы (студенты) научились:

1. планировать, организовывать и выполнять физический эксперименты;
2. использовать метод наименьших квадратов при линеаризации функциональных зависимостей;
3. оформлять результаты научной работы в виде научной статьи.

По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы.

1. Увеличение плотности материала и толщины экранирующей поверхности приводит к увеличению её звукопоглощающей (звукоизолирующей) способности.
2. Распространение звука в атмосфере подчиняется закону обратных квадратов.
3. Громкость звука линейно уменьшается с возрастанием числа последовательно установленных друг за другом экранирующих поверхностей.