Метаматериал позволит услышать подводные звуки в воздухе

Физики из Японии и Южной Кореи разработали метаматериал, который пропускает около 30 процентов энергии звуковых волн, если поместить его на границе вода-воздух, в то время как обычно эта граница пропускает менее процента энергии звука. Новый метаматериал позволит применить чувствительные конденсаторные микрофоны для записи подводных звуков и значительно увеличит качество таких записей. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics.

Граница вода-воздух очень плохо пропускает звук. Акустическое сопротивление воды в 3600 раз больше, чем у воздуха, а потому энергия звуковой волны при прохождении через их границу уменьшается почти на три порядка. Это легко проверить самостоятельно, постучав, например, двумя камнями на воздухе и под водой — если вы и услышите, как камни щелкают при ударе в воде, звук до ваших ушей дойдет скорее через руки и тело, чем через воду и воздух.

С другой стороны, пьезоэлектрические микрофоны, которые в основном используют для записи подводных звуков, имеют сравнительно низкую чувствительность. Чувствительность — это отношение выходного напряжения микрофона к давлению записываемого им звука; чем она выше, тем более тихие звуки может записать микрофон, и тем меньше будет отношение шума к полезному сигналу. Чувствительность стандартного конденсаторного микрофона почти в тысячу раз превышает чувствительность пьезоэлектрического. В то же время, качественная запись подводных звуков очень важна для морской биологии, подводных коммуникаций и систем позиционирования. Поэтому ученые ищут способы уменьшить потери энергии на границе вода-воздух, чтобы воздушные микрофоны можно было применить для подводных исследований.

Группа физиков под руководством Сэма Ли (Sam Lee) наконец нашла способ значительно снизить эти потери. Если поместить изготовленный учеными метаматериал на границе вода-воздух, можно добиться почти 160-кратного увеличения энергии прошедшей волны — с долей процента до трети от энергии падающей волны. Метаматериал состоит из большого числа метаатомов, выстроенных вдоль двумерной поверхности и представляющих собой пластиковые цилиндры (АБС-пластик). Внутри каждого цилиндра находится резиновая мембрана толщиной примерно 57 микрометров, в центре которой закреплен кусочек эпоксидной смолы массой около 60 миллиграмм. Еще одна мембрана разделяет воду и воздух, так что кусочек смолы находится в воздухе и может свободно колебаться.

Оказывается, что акустический импеданс такого метаатома очень интересно зависит от частоты падающей на него звуковой волны. Акустический импеданс — это обобщение акустического сопротивления, с его помощью можно описывать не только свободные звуковые волны, но и затухающие (в сущности, эта величина аналогична комплексной диэлектрической проницаемости в оптике). Свободным волнам отвечает действительная часть импеданса, затухающим — комплексная. У пустого цилиндра, который разделяет воду и воздух, обе части акустического импеданса медленно уменьшаются с увеличением длины звуковой волны. Однако при добавлении колеблющейся массы все меняется, и комплексная часть импеданса резко падает практически до нуля для определенных длин волн, причем «резонансная» длина прямо пропорциональна расстоянию между массой и границей вода-воздух. Чтобы качественно понять, чем вызвано такое поведение, физики рассмотрели простую одномерную модель (смотри рисунок).

Несмотря на то, что в действительности метаатом является не одномерной, а трехмерной системой, ведет он себя в целом похоже. И экспериментальные данные, и результаты численных расчетов на основе метода конечных элементов (finite element modeling, FEM) утверждают, что на определенной длине волны отношение энергии прошедшей и падающей волн резко возрастает. Если более точно, то примерно треть энергии падающей волны проходит в воздух, треть отражается обратно и еще треть рассеивается во время колебаний мембраны. При расстоянии между мембранами около 0,671 миллиметра подобное поведение наблюдалось на частоте звука примерно 707 герц (эта частота примерно отвечает ноте фа второй октавы).

К сожалению, каждый метаатом так хорошо проводит звук только в узком диапазоне частот, близких к резонансной частоте. Тем не менее, авторы статьи считают, что если собрать метаматериал из метаатомов, настроенных на разные частоты, можно добиться увеличения проводимости в более широком диапазоне. К тому же регулировать резонансную частоту метаатома сравнительно легко — достаточно изменить расстояние между мембранами.

В октябре прошлого года математики из Великобритании, США и Канады предложили учитывать влияние гравитации на распространение низкочастотных подводных акустических волн. Такие волны возникают, когда какое-то тяжелое тело (например, метеорит или самолет) падает в океан. Поэтому предложенная математиками модель позволяет с хорошей точностью установить место падения подобных объектов — например, ученые уточнили с ее помощью координаты пропавшего в марте 2014 года малайзийского Боинга Mh470. Разработка авторов новой статьи позволит измерять спектры акустических волн еще точнее — следовательно, координаты падения объектов можно будет очертить еще лучше.

Дмитрий Трунин

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

Почему капля воды при падении издает звук? И откуда именно он исходит?

Александр Дубов

Редактор

Мнение редакции может не совпадать с мнением автора

Вероятно, любой человек знает, как могут раздражать звуки капающей воды из неплотно закрытого крана — особенно в ночной тишине, когда так хочется спать. Но что делает эти звуки такими громкими, и как именно они рождаются? Чтобы ответить на этот вопрос, физикам потребовались довольно непростые эксперименты. О том, как была разгадана тайна звука капающей воды, N + 1 рассказывает совместно с проектом Яндекс.Кью.

Столкновение капель воды с поверхностью жидкости — довольно сложный процесс. Сначала при падении капли на поверхности образуется воздушный карман, иногда сопровождаемый формированием жидкой пленки и некоторого количества брызг. После этого воздушная воронка постепенно схлопывается, а образовавшийся при этом пузырь газа продолжает свое движение в жидкости. Количество брызг, размер и форма образующихся воздушных полостей в течение этого процесса зависят, в первую очередь, от вязкости, скорости и количества падающих капель. Американские ученые даже ввели для определения формы образующихся воздушных пузырьков новый безразмерный параметр — «число матрешки» (отношение времени схлопывания воздушной полости к частоте падения капель на поверхность).

Капля при падении производит характерный звонкий капающий звук. Определить источник этого звука физики пытаются уже практически целый век, однако большинство работ на эту тему были теоретическими и подкреплялись лишь грубыми экспериментальными наблюдениями. С достаточной точностью провести эксперимент ученым удалось совсем недавно благодаря появлению высокоскоростной записи видео и звука.

Британские физики под руководством Питера Джордана решили не только посмотреть на то, что происходит с каплями при столкновении с поверхностью, но и внимательно послушать сопровождающие это столкновение звуки. Ученые использовали два типа микрофонов — надводный и подводный, а изменение формы поверхности снимали с нескольких разных ракурсов с частотой 30 тысяч кадров в секунду. Капля диаметром 4 миллиметра падала на водную поверхность со скоростью 1,29 метра в секунду, в результате чего на поверхности формировалась газовая полость, от которой затем отрывался небольшой пузырек воздуха и продолжал двигаться вниз.

Оказалось, что звучать эта система начинала ровно в тот момент, когда происходил отрыв пузырька воздуха от водной поверхности. После этого звук продолжался в течение нескольких миллисекунд и постепенно затухал, когда пузырек отдалялся от поверхности на достаточное расстояние, а форма его поверхности практически переставала колебаться.

Наблюдения подтвердили гипотезу, что источник звука при падении капли — резонансное колебание поверхности газового пузырька, образовавшегося в жидкости. Данные о частоте звукового сигнала, записанного с помощью обоих микрофонов, ученые сравнили с данными теоретической модели. Несмотря на качественное согласие экспериментальных данных с теоретическими, отличия оказались довольно заметными и в некоторых случаях достигали 40 процентов.

По словам ученых, это отличие связано с неучтенным взаимодействием между колебаниями поверхности пузырька и колебаниями поверхности полости непосредственно над ним. Если раньше считалось, что источником звуковой волны служат только колебания поверхности пузырька, волна от которых распространяется сквозь воду и попадает в воздух через невозмущенную межфазную поверхность вода-воздух, то сейчас ученые предложили похожий, но немного отличный механизм. Когда пузырек только образовался, колебания его поверхности вызывают колебания той же частоты на поверхности воздушной полости, от которой он оторвался. Это происходит в результате потоков несжимаемой жидкости в тонком зазоре между двумя поверхностями. Как только пузырек отдаляется на достаточное расстояния, передача колебаний прекращается.

Предложенную гипотезу физики описали теоретически и показали, что предложенный механизм действительно позволяет более точно описать полученные экспериментальные данные. По словам авторов работы, впервые проведенное экспериментальное исследование механизма возникновения звука капания может быть в дальнейшем использовано для улучшения систем определения силы ливня, а также для более достоверного озвучивания дождя в фильмах или компьютерных играх.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

Ударный шум по сравнению с воздушным шумом

02 марта 2022 г.

Любой звук является результатом волн, которые вызывают вибрации, достигающие уха или записывающего устройства после прохождения через определенную среду, но многие люди, обеспокоенные акустикой, часто не тратьте время на то, чтобы отличить ударный шум от воздушного шума. Это два очень разных типа шумов, которые требуют разных подходов к контролю. Что означают эти термины и как мы можем контролировать ударный шум по сравнению с воздушным шумом?

Что такое воздушный шум?

Воздушный шум — это когда звук передается по воздуху, например музыка, речь и телевидение. Этот тип шума довольно распространен, поэтому обычно это то, что приходит на ум, когда вы думаете о шуме.

Что такое ударный шум?

Ударный шум возникает, когда звуковая вибрация распространяется через среду, отличную от воздуха, и возникает при столкновении двух или более объектов. Примеры ударного шума включают строительный отбойный молоток, мяч, подпрыгивающий на полу над вами, или воду, выплескивающуюся из ваших труб. Ударный шум может проходить сквозь конструкции, поэтому его иногда называют корпусным шумом.

Как вы контролируете воздушный и ударный шум?

Если вы контролируете только один тип шума в комнате, ваша комната не будет полностью звукоизолирована. Многие люди могут эффективно блокировать воздушный шум, но не учитывать ударный шум. Этого может быть недостаточно для ситуаций, когда конструкции особенно склонны к звукопроведению или когда внешние удары являются обычным явлением.

К счастью, компания Soundproof Cow разработала ряд продуктов, которые могут блокировать как ударный, так и воздушный шум. Например, хлопковая изоляция Quiet Batt™ 30 имеет мощный барьер, блокирующий проникновение и выход воздушного шума, а также звукопоглощающую изоляцию для уменьшения вибраций и эха.

Результатом является более полная звукоизоляция, которая делает любую комнату подходящей для всего, от детской до студии звукозаписи. Этот продукт также имеет то преимущество, что он на 80 процентов состоит из переработанного хлопка, что делает его простым в обращении и более безопасным для стен вашего дома.

Soundproof Cow имеет способы контролировать ударный шум от пола и труб. Если вам нужна дополнительная информация о том, как наши продукты могут безопасно блокировать как воздушный, так и ударный шум, или если вы заинтересованы в заказе звукоизоляционных продуктов для вашего дома или бизнеса, свяжитесь с нами сегодня.

К счастью, компания Soundproof Cow разработала ряд продуктов, которые могут блокировать как ударный, так и воздушный шум. Например, хлопковая изоляция Quiet Batt™ 30 обладает мощным барьером, препятствующим проникновению и утечке воздушного шума, а также звукопоглощающей изоляцией для снижения вибраций и эха.

Результатом является более совершенная звукоизоляция, которая делает любую комнату подходящей для всего: от детской до студии звукозаписи. Этот продукт также имеет то преимущество, что он на 80 процентов состоит из переработанного хлопка, что делает его простым в обращении и более безопасным для стен вашего дома».
}
}]
}

Узнать больше о понимании звука

Понять звуковые рейтинги

Что такое реверберация звука

Что такое звукоизоляция

Что такое распространение звука

Как определить рейтинг STC стены

9 0 Рехо против

E это звук

Цвета шума

Преимущества белого шума

Каковы характеристики звуковой волны

Что такое звуковая маскировка

В чем разница между ударным и воздушным шумом?

Воздушный и ударный шум

Звук подразделяется на воздушный и ударный шум.

Воздушный шум передается через воздух и атмосферу и ощущается в виде разговоров людей, телевизионного шума, лая собак и т. д. Когда звуковые волны распространяются по воздуху и достигают элемента здания, они ударяются о него и вызывают его вибрацию . Эти вибрации проходят через конструкцию или здание и излучаются с другой стороны, хотя и в меньшей степени.

Ударный шум — это физическое воздействие на здания или твердые материалы. Примерами являются шаги, стук в дверь, ходьба и перемещение мебели. Ударный звук возникает из-за того, что удар вызывает вибрацию обеих сторон строительного элемента, генерируя звуковые волны. Это часто бывает труднее всего изолировать, поскольку ударные вибрации сильнее и распространяются дальше через плотные материалы.

Большинство из нас в какой-то момент сталкивались с ударным и воздушным шумом или их сочетанием. Чаще всего воздушный и ударный шум исходят от шумных соседей в домах с террасами или квартирах, а в крайних случаях повседневная жизнь в собственном доме может превратиться в кошмар.

Самый простой тест для стен — это положить руку на стену, и если вы почувствуете вибрацию, то это ударный шум. Если вы не чувствуете вибрации, но все равно слышите шум, то это воздушный шум.
О потолке обычно можно сказать по типу шума, такого как шаги, передвигаемая мебель и т. д., который является ударным шумом. Музыка, телевизор и разговоры людей — это воздушный шум.

Как распространяется звук?

Когда звуковые волны соприкасаются с твердым материалом, часть звука отражается обратно в комнату, часть звука поглощается стеной и, наконец, звуковая энергия/вибрация проходит через стену, вызывая ее вибрацию, а затем проходит через Другая сторона.

Звук также распространяется прямым и косвенным путем. Примером прямого звука может быть прослушивание телевизора соседей через стену, неудивительно, что шум распространяется прямо через стену. Когда звук распространяется непрямым путем, думайте об этом так же, как о воде, он всегда найдет путь, часто с помощью непрямых методов. Путешествие вокруг, под и над любыми препятствиями на своем пути. Шум, достигающий помещения таким образом, также называется
фланговый шум.

Косвенный звук труднее обработать, так как иногда бывает сложнее определить, откуда исходит боковой звук. Это может быть пространство между половицами или полости в стене, о существовании которых вы даже не подозревали. Хорошей новостью является то, что магазин звукоизоляции предлагает экспертные консультации и профессиональные решения по звукоизоляции для борьбы с воздушным, ударным и боковым шумом.

Как обеспечить звукоизоляцию от воздушных
шум?

Во-первых, откуда идет шум? Как только это будет установлено, все будет о лучшем способе остановить звук, который имеет массу, воздушный зазор и снова массу. Это гарантирует, что звуковым волнам будет трудно проникнуть через это пространство и попасть в ваш дом.

В качестве примера рассмотрим распространенную проблему с шумными соседями. Вы можете услышать шум, исходящий через стену от вашего соседа. Вы можете слышать их телевизор и приглушенные голоса, а стена в вашей комнате сплошная стена.

Вы знаете, что это воздушный шум, поскольку голоса доносятся прямо через стену. Решение по звукоизоляции (как упоминалось выше) заключается в добавлении массы и демпфирующих материалов или разъединении для предотвращения прохождения звуковой энергии. Это достигается за счет добавления различных продуктов с высокой массой/плотностью. Это важно, так как использование различных материалов с большой массой лучше подходит для разных звуковых частот, поэтому использование комбинации материалов с большой массой всегда будет работать лучше, чем простое использование большего количества одного и того же материала.0003

Лучшими продуктами в этом случае будут:

Как звукоизолировать стену от стандартного (воздушного) бытового шума

ProSound™
SoundBoard 4 ™

Использование 4 различных технологий звукоизоляции, склеенных вместе (толщиной всего 30 мм) для легкой установки. SoundBoard 4 предлагает хорошее решение для стандартного бытового шума. например четкие голоса и ТВ. Однако SoundBoard 4 не подходит для ударного шума, басов музыки, низких голосов или храпа.

SoundBoard 4 соответствует требованиям Части E Строительных норм и правил при нанесении на кирпичную или блочную стену, а также соответствует части E Строительных норм и правил при добавлении к несущей раме (как часть системы).

SoundBoard 4™ Полезный обзор

Как звукоизолировать стену от громкого воздушного и ударного шума

Если уровень шума выше, чем приглушенный разговор и шум телевизора, вам потребуется система звукоизоляции стен с более высокими характеристиками. При чрезмерном уровне воздушного шума
Система независимых стоек ReductoClip™ представляет собой самое тонкое решение для независимых стен с высочайшим уровнем звукоизоляции. (Эта система также используется при звукоизоляции музыкальных студий).

С помощью этой системы вы создаете комнату внутри комнаты, которая изолирована от существующей структуры. Это означает потерю пространства в 120 мм от исходной стены.

Многие люди, живущие в частных домах, не хотят терять 120 мм от своих стен, поэтому часто выбирают
ReductoClip™ Direct to Wall System, которая не включает в себя отдельную независимую раму с шипами. Эта система прямой звукоизоляции стен по-прежнему обеспечивает очень высокий уровень звукоизоляции от воздушного шума и шумных соседей с потерей пространства всего 60 мм по сравнению с исходными стенами.

Полезный обзор высокоэффективной системы ReductoClip™

Звукоизоляция стены от избыточного воздушного шума с помощью системы независимых стоек ReductoClip™

Как установить систему независимых стен ReductoClip

Звукоизоляция высоких уровней воздушного шума с помощью системы ReductoClip™ Direct to Wall System

Как установить систему ReductoClip Direct to Wall

Как звукоизолировать от ударов
шум этажом выше?

Сначала установите источник шума. После того, как это было установлено, теперь необходимо гасить вибрацию и поглощать ее в источнике, прежде чем она сможет проникнуть в конструкцию или отделить конструкцию от вибрации. (Подумайте о том, чтобы покрыть пол пузырчатой ​​пленкой или построить новый пол поверх существующего пола с воздушным зазором между ними).

Допустим, вы живете в квартире и слышите много шума в виде шагов, доносящихся этажом выше. Всегда важно установить, откуда исходит шум, и по возможности лечить его у источника. Поэтому, если бы у вас был доступ на этаж ваших соседей, это было бы идеально.

В этом случае лучшими продуктами будут:

Решения для звукоизоляции пола от ударного и воздушного шума

ProSound™ Reverso SoundMat™

Идеально подходит для высоких уровней ударного шума (например, шагов) и высоких уровней воздушного шума (например, разговоров и шума телевизора).

При толщине 18 мм ProSound Reverso SoundMat 3 Plus предлагает самый эффективный в отрасли двусторонний звукоизоляционный коврик с массой 17,50 кг на м2.

Уникальность Reverso SoundMat заключается в том, что его можно использовать для любого мягкого или твердого напольного покрытия без необходимости использования верхнего слоя для твердого напольного покрытия.

Reverso SoundMat™ для борьбы с воздушным и ударным шумом — не требуется переборки для большинства твердых отделочных покрытий пола.

 ProSound SoundMat3 Plus

SoundMat™ 3 Plus для защиты от воздушного и ударного шума — идеально подходит для ковровых покрытий или твердых напольных покрытий (с выходом за борт)

Идеально подходит для высоких уровней ударного шума (например, шагов) и высоких уровней воздушного шума (например, разговоров и шума телевизора).

ProSound SoundMat 3 Plus толщиной всего 15 мм представляет собой самый эффективный в отрасли звукоизоляционный коврик с массой 16 кг на м2.

Как звукоизолировать от ударного шума на потолке внизу?

При том же сценарии, что и выше, но без доступа к источнику, т. е. к вашим соседям этажом выше, лучшим решением будет создание подвесного потолка ниже фактического потолка на специальных антивибрационных подвесах и обрешетке. Лучшим продуктом в этом случае будет:

Потолочная система ReductoClip

Наши самые эффективные
Система звукоизоляции потолка ReductoClip (потеря пространства всего 60 мм). Предлагая самую эффективную систему звукоизоляции в отрасли. Предназначен для уменьшения передачи звука и вибрации через стены и потолки. Предлагает более высокие уровни дБ, чем стандартные эластичные стержни.

Как
для борьбы с фланговым шумом?

 
Решение, где это возможно, заключается в использовании
акустическую минеральную вату в любых пустотах между балками и заполнить любые зазоры
акустический герметик.

Один из наиболее распространенных случаев фланговой деформации возникает, когда паркетные полы непосредственно соприкасаются со стенами.