Свидетели калькулятора — ставь по короткой, нет времени объяснять

Общие сведения

Мы живём в океане неслышимых нами ультразвуков. Шелест травы у нас под ногами, шорох перекатываемой морским прибоем гальки, беззвучные сигналы летучих мышей и даже надоедливый писк комаров — во всех этих звуках есть ультразвуковая компонента. Человечество ознакомилось с ультразвуком задолго до осознания его как явления, освоив огонь. Треск сучьев в костре, шипение выделяемых веществ и воды под воздействием высокой температуры из дров — всё это генерирует ультразвук. И вообще, любые импульсные звуки содержат ультразвуковую составляющую.

Свисток хорош еще и тем, что собаки его слышат на значительно большем расстоянии, чем самый сильный крик

Ещё даже до начала писаной истории люди использовали методы дрессуры прирученных животных (собак и лошадей) с помощью ультразвукового свистка, изобретение которого порой незаслужено приписывают замечательному английскому учёному, врачу и изобретателю Ф. Гальтону. Но надо отдать должное и Гальтону — именно его конструкция свистка оказалась на редкость удачной и цирковые артисты разных стран со времён позапрошлого столетия с неизменным успехом предъявляли непросвещенной публике собак – «математиков» и лошадей — «учёных».

Ныне звуки, лежащие по другую сторону звукового диапазона (имеется в виду только ультразвук), уже сейчас дали нам в руки мощные методы неразрушающего контроля материалов. Врачи получили новые методы диагностики заболеваний и новые инструменты, в частности, ультразвуковую диагностику, позволяющую наблюдать в реальном времени биологические процессы, в том числе и развитие человеческого плода, а также возможность делать бескровные операции с помощью ультразвуковых скальпелей, которые разрезают ткани вследствие вибрации с частотой 55 кГц.

Современные инженеры располагают методами расплавления и сварки материалов ультразвуком, создания гомогенных смесей из уж совсем казалось бы несовместимых материалов, и синтеза ранее немыслимых лекарств и материалов будущего. Существуют методы ультразвуковой кавитации и ультразвуковой стерилизации, даже есть явление ультразвуковой левитации. Пусть одно останется методом очистки изделий от загрязнений или их дезинтеграции, другое — высокотехнологическим методом обработки медицинского оборудования и инструментов, а третье пока остаётся просто занимательным физическим опытом.

Результаты акустического моделирования в EASE

На основе вычисленных акустических свойств помещения программа EASE позволяет сформировать графики времени реверберации как с учётом акустической обработки помещения, так и без неё.

Время реверберации концертного зала без акустической обработки.

Время реверберации концертного зала с акустической обработкой.

Как видно из графиков, использование специальных акустических материалов способно значительно уменьшить время реверберации и нивелировать неравномерность его значений. Таким образом, помещение лишается излишней гулкости на низких частотах, повышается разборчивость речи и музыки. Вместе с тем, слишком малое значение времени реверберации негативно сказывается на объёмности звуков и пространственных характеристиках помещения. Поэтому важно понимать, какое звучание должно быть у каждого конкретного помещения, чтобы можно было найти необходимые компромиссы при его акустической обработке.

Основные результаты акустического расчёта концертного зала в программе EASE представляются в графическом виде.

Как видно из графиков, акустические параметры концертного зала, полученные в результате моделирования, удовлетворяют предъявляемым к ним требованиям. Неравномерность уровней сигнала Direct SPL и Total SPL не превышают 9 и 5 дБ соответственно, коэффициент разборчивости речи Rasti имеет значения от 0,69 до 0,75, коэффициент потери согласных Alcons составляет 4—5 %, значения коэффициентов музыкальной (C80) и речевой ясности (С50) находятся в пределах 9…12 и 6…11 дБ соответственно. Для данных акустических параметров это отличные показатели.

Отличных результатов удалось добиться за счёт моделирования акустической обработки помещения, направленной на уменьшение нежелательных отражений. Однако важно помнить, что это, в свою очередь, влечёт за собой ухудшение неравномерности уровня звукового сигнала в помещении, негативно влияет на ощущение объёма, зачастую мешает адекватному восприятию пространственной картины зала. В связи с этим, акустическое оформление помещения — это всегда поиск компромисса, который осуществляется, в первую очередь, исходя из требований к акустике конкретного помещения.

Историческая справка

Слева направо: Петр Лебедев, Пьер Кюри, Жак Кюри, Поль Ланжевен, Феликс Савар, Френсис Гальтон
Исследование звуков, лежащих в ультразвуковом диапазоне и связанных с ними физическими явлениями, наиболее бурно началось с развитием электротехники, радиотехники, электроники и материаловедения.

Дисплей эхолота — специализированного гидролокатора (справа)

Безусловно, сами исследования были бы невозможны без генерации собственно ультразвука. Хотя ультразвук часто присутствует при взятии высоких нот в виде обертонов многими музыкальными инструментами, первый шаг к научному изучению ультразвука сделал в начале 19-го века французский учёный Феликс Савар, давший определение диапазона слышимого звука. Савар изучал диапазон слышимого звука с помощью зубчатого колеса с установленным на его оси тахометром, который использовался для измерения частоты звука, который возникал, когда картонную карточку прижимали к зубцам.

Английский учёный Френсис Гальтон в 1876 году изобрёл конструкцию ультразвукового свистка, нашедшего весьма широкое применение, как в научных исследованиях, так и в технике. В дальнейшем исследованиями ультразвука занимались различные группы учёных разных стран, в том числе и русский физик-экспериментатор П. Н. Лебедев с коллегами, которые изучали генерацию и распространение ультразвуковых колебаний в воздухе.

Слева направо: Уильям Шокли, Уолтер Браттейн, Джон Бардин, Ли де Форест, Эдвин Армстронг

1. Кремниевый мощный транзистор общего назначения 2N3055, выпускающийся с начала 60-х гг. прошлого века 2. Транзистор 2N3055 со снятой крышкой 3. Увеличенное изображение кристалла транзистора 2N3055

С появлением во время Первой мировой войны нового класса вооружений в виде подводных лодок перед военными инженерами встала неотложная задача их обнаружения. Британские ученые создали пассивные устройства для обнаружения подводных объектов — гидрофоны. В то же время, французский инженер Поль Ланжевен совместно с русским учёным-эмигрантом Константином Шиловским работали над созданием активного акустического устройства для обнаружения подводных лодок в подводном положении. В наше время их называют гидролокаторами или сонарами. Для генерации ультразвука Ланжевен с Шиловским использовали устройства как на электростатическом (конденсаторного типа), так и на пьезоэлектрическом принципе (кристалл кварца). Однако работающие гидролокаторы появились только в 20-х гг. прошлого века, после окончания Первой мировой войны.

Поворотным моментом в исследовании и генерации ультразвука явилось изобретение электронных усилителей на трёхэлектродной лампе триоде, изобретенном в 1906 году американским инженером Ли де Форестом. В 1912 году другим американским инженером Эдвином Армстронгом и независимо от него в 1913 г. австрийским инженером Александром Мейснером на основе триода был создан первый автогенератор.

Настоящим прорывом в деле применения ультразвука стало изобретение точечного транзистора в 1947 году группой американских учёных. В 1956 году за открытие транзисторного эффекта Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли были удостоены Нобелевской премии по физике. На базе транзисторов, а потом и на интегральных схемах были созданы более совершенные и экономичные схемы усиления и генерации низкочастотного диапазона. Верхом этого процесса можно считать разработку цифровых методов анализа и синтеза ультразвука любого мыслимого диапазона и мощности вплоть до летальной с помощью современных компьютерных технологий, которым поддаются даже методы визуализации звука.

По мере совершенствования техники гидролокации, эхолоты стали доступны и в гражданской деятельности и ныне успешно применяются в таком важном деле, как мореплавание, научных исследованиях по картографии морского дна и в промышленном рыболовстве.

Сегодня эта техника стала доступной широким массам — наиболее продвинутые любители спортивной рыбной ловли, вооружённые портативными эхолотами с GPS- навигацией, часто своими уловами вызывают чёрную зависть у других любителей-рыболовов, часами просиживающих на берегу в надежде выловить хоть какую-нибудь рыбу.

Основные параметры оценки акустических свойств помещения

Основными параметрами, определяющими акустические свойства помещения, являются: время реверберации, уровень акустического давления прямого звука, уровень акустического давления общего звука, коэффициент разборчивости речи Rasti, коэффициент потери согласных Alcons, коэффициент музыкальной ясности С80 и коэффициент речевой ясности C50.

Время реверберации — параметр, определяющий скорость затухания основных и отражённых акустических колебаний в помещении. Фактически, это время, за которое отражённый звук ослабевает до определённого уровня относительно уровня прямого звука. Оптимальное время реверберации зависит от характера музыки или речи, звучащей в помещении, и определяется, в первую очередь, его назначением. Например, для отчётливого звучания речи необходимо, чтобы время реверберации имело достаточно малое значение. Вместе с тем, слишком короткое время реверберации может негативно отразиться на тембровой окраске и громкости звуков, и в случае громкой динамичной музыки — должно быть значительно больше. Время реверберации зависит, главным образом, от формы и размеров помещения, а также от поглощающих свойств его поверхностей. Также на него влияет заполненность зала слушателями и любые объекты, находящиеся в зале.

Уровень прямого звука — громкость источника звука без учёта реверберационной составляющей. Значение уровня прямого звука определяется только системой звукоусиления, которая должна обеспечить равномерное покрытие прямым звуком всей зрительской зоны. Покрытие прямым звуком считается приемлемым, если неравномерность его уровня не превышает 10 дБ в зрительской зоне.

Уровень общего звука — громкость источника звука с учётом реверберации помещения. Общий звук должен покрывать всю зрительскую зону без провалов. Громкость общего звука определяется, в первую очередь, прямым звуком, который усиливается реверберационной составляющей. При этом требования к неравномерности общего звука выше, чем к неравномерности прямого, и она не должна превышать 6 дБ.

Коэффициент разборчивости речи Rasti — быстрый индекс передачи речи. Является упрощённым вариантом индекса передачи речи (STI). Индекс вычисляется на основе семейства кривых частотно-контрастных характеристик и содержит информацию о характере искажения сигнала помещением. Разборчивость считается достаточной, если коэффициент превышает 0,6.

Коэффициент потери согласных Alcons — оценка потерь артикуляции согласных. Согласные сильнее влияют на разборчивость речи, чем гласные. Поэтому, если согласные звучат чётко, то и речь в целом понимается намного лучше. Коэффициент Alcons не должен превышать 10 % для приемлемой разборчивости речи.

Коэффициенты музыкальной (C80) и речевой ясности (C50) — определяют разборчивость отдельных звуков в общем музыкальном потоке. Эти параметры зависят не только от акустических характеристик помещения, так как отдельные воспроизводимые звуки могут быть подчеркнуты аппаратно, за счёт возможностей профессиональной системы звукоусиления. Тем не менее, оценка музыкальной и речевой ясности важна, так как не все музыкальные мероприятия проводятся с использованием специальных эффектов. Ярким примером этого служат камерные концерты.

Ультразвук. Определение и физика явлений

К ультразвуку относятся звуки с частотами выше воспринимаемых человеческим слухом. Обычно к ультразвуку относят колебания с частотой выше 20 кГц, верхняя граница ультразвука условно принимается равной 1000 МГц или 1 ГГц. Звук с частотой свыше 1 ГГц в русскоязычной технической литературе принято называть гиперзвуком.

При распространении в различных средах, ультразвук в общем подчиняется законам акустики, то есть способен затухать, отражаться, фокусироваться и преломляться. Но имеются некоторые отличия:

• Модулированный ультразвук, для восприятия человеком через вибрации поверхности тела, должен иметь более высокую амплитуду колебаний по сравнению с аудиосигналом.
• Ультразвук гораздо сильнее, чем обычный звук поглощается атмосферой и газами.
• Из-за малой длины волн, ультразвуку более, чем обычному звуку, присуще проявление фокусировки, особенно в высокочастотной части диапазона.

Ультразвук хорошо распространяется в более плотных средах, таких как вода и другие жидкости, а также в твёрдых телах. В природе ультразвук возникает под действием ветра, при шорохе сухих опавших листьев под ногами и шуршании перекатываемой морским прибоем гальки, треске сухих сучьев и при раскалывании коры деревьев под действием мороза. Шум дождя и водопада, грозовые разряды и лесные пожары также производят ультразвук. Помимо этого природный ультразвук генерируют многие представители животного мира.

Подготовка

Я ориентируюсь на слух. В соответствии с ним был выбран весь мой сетап, слухом же я пользовался и при выборе места для АС в моей комнате. По большому счету, то положение АС, на котором я остановился, меня вполне устраивало.

Периодически, когда хотелось получить от звука чего-то конкретного, я направлял динамики полочников на себя — вокал становится четче и яснее, с более явным позиционированием. Но при этом несколько теряется масштаб стерео. Когда хочется того самого масштаба, динамики АС смотрят прямо — и тогда сцена обретает более крупные очертания, стерео окружает, но позиции инструментов и вокала не так точно локализуются.

«Дьявол в мелочах», господа. Кому еще, как не любителям качественного звука, больше всего подходит это выражение? Вот эти мелочи периодически и подталкивали меня к поиску «золотой середины», а в итоге привели к «золотому сечению».

Не лишним будет ознакомить читателя с моей комнатой для прослушивания. Помещение ничем особенным не отличается от многих других, которые собратья-меломаны приспособили под свое пристанище. Его параметры я укажу на схеме ниже:

Инженерных институтов я не заканчивал, поэтому масштаб перенесен, как говорится, «на глаз». Слева — входная дверь. По длинным стенам: сверху — мебель, которую в народе называют «стенка». Она усеяна нишами, закрывающихся шкафов в ней нет. Внизу расположился диван из коллекции «Акустический Поглотитель 2000». На полу лежит ковер — на него была скидка при покупке поглотителя.

В нижнем правом углу стоит платяной шкаф, будь он неладен. В верхнем правом углу — компьютерный стол. К нему претензий нет, пусть стоит себе. За столом, по короткой стене — выход на лоджию, который при надобности могут закрыть тяжелые «блэкаут»-шторы. Ну и пара нюансов, которые я не отразил на схеме: высота натяжного потолка — 3,5 метра; стены оклеены плотными обоями с мелкой текстурой, как у ткани, а затем окрашены.

АС на стойках я разместил вот так:

При таком расположении расстояние от фазоинвертора до стены — примерно 45 сантиметров. Как можно видеть, между слушателем и АС образовался почти правильный треугольник. Смещать левую колонку ближе к двери опасно — дверь открывается в комнату. Понятно, какая неприятность может произойти с тем, кто ее откроет.

Ультразвук в животном мире

Цикады способны слышать и испускать ультразвуковые колебания

Биологи установили непреложный факт, что многие виды различных животных используют ультразвук для эхолокации и навигации. Почти все зубатые киты и дельфины способны генерировать и воспринимать ультразвук в целях ориентации в пространстве, поиска и загона добычи и для коммуникации. Особенно это относится к подслеповатым белым речным дельфинам — иниям — обитающих в мутных водах Амазонки и её притоках. Прирученные человеком кошки, лошади и собаки тоже прекрасно воспринимают ультразвук, то же самое относится и к их диким сородичам. Очень виртуозно применяют ультразвук ночные охотники на летающих насекомых — летучие мыши. Они имеют столь совершенный аппарат для генерации и приёма ультразвука в диапазоне от 14 до более 100 кГц, что способны в абсолютной темноте избегать в полёте препятствия и точно локализовать свою добычу вплоть до мелких комаров и москитов. Впрочем, некоторые виды насекомых не столь уж беззащитны перед ними. Имея отличный слух в этом диапазоне волн, ночные летающие насекомые, при облучении ультразвуковым сигналом летучей мыши, резко меняют направление полёта, а некоторые виды даже обладают контроружием. Тигровая моль, например, сама в ответ генерирует ультразвук примерно с теми же характеристиками, тем самым играя роль постановщика помех для системы эхолокации летучих мышей.

Но наиболее страшным образом ультразвуком владеют некоторые виды ракообразных —креветки вида Alpheus randalli, иначе называющиеся креветками-щелкунами или раками-щелкунами. Они с такой скоростью захлопывают свою клешню, что вызывают в водной среде кавитацию, генерируя при этом ультразвук такой силы и мощности, которая достаточна для оглушения их добычи в виде мелких рыбёшек, креветок и других обитателей моря. Ультразвук парализует и порой даже умерщвляет их. Щелчки при захлопывании клешни используются креветками также для связи между собой.

К счастью, подобный метод использования ультразвука ограничивается только этим видом, другие виды животных, вроде насекомых, применяют его для коммуникации. Достаточно вспомнить стрёкот кузнечиков и сверчков летними вечерами, возникающий при трении щетинок на их задних лапках, а также певчих цикад, которые издают звуки с помощью специализированных тимбальных органов.

Сложности проектирования систем профессионального звука

Обеспечение качественной и равномерной акустической картины при установке профессиональной системы звукоусиления зачастую становится чрезвычайно сложной задачей. Особенно это касается концертных залов и стадионов, где отчётливость и ясность воспроизводимых звуков является важнейшим условием успешного проведения музыкальных мероприятий.
Акустическая картина зала зависит от множества различных факторов: формы и размеров помещения, системы звукоусиления, материалов, использованных при строительстве зала, характера звучащей музыки или речи, заполненности зала слушателями. Для помещений различного назначения необходимо обеспечивать индивидуальные акустические условия, при этом принимая во внимание архитектурные особенности зданий, ограниченность в выборе места установки акустических систем, специфические особенности каждого помещения. Учёт всех этих факторов без специального компьютерного моделирования — задача практически невыполнимая. Тем более, без использования специализированных программ невозможно вычислить с достаточной точностью необходимые параметры.

Для моделирования акустической картины помещения разработано множество программных пакетов. Одним из самых удачных продуктов в этой сфере является программа EASE.

Техногенный ультразвук

С момента овладения следующим после жарки, но первым по значимости, процессом приготовления пищи с помощью варки, человечество невольно стало генерировать ультразвук в массовом порядке. Дело в том, что в момент закипания воды в её объёме появляется множество мелких пузырьков водяного пара, которые, схлопываясь, генерируют ультразвук. Это явление мы можем наблюдать в повседневной жизни, когда включаем электрокофейник или устанавливаем чайник с водой на газовую плиту для кипячения — первоначальный шум закипающей воды становится тише перед моментом непосредственного закипания, так как шум смещается в ультразвуковую часть акустического спектра.

Целенаправленно вырабатывать ультразвук для разнообразных технических применений начали в конце 19-го столетия. При этом применяются различные методы генерации: механический и электроакустический. Механический метод использует потоки сред, прерываемые тем или иным способом. Типичным устройством такого рода является ультразвуковая сирена, представляющая собой камеру с неподвижным статором с отверстиями для прохождения соответствующей газовой или жидкостной среды, и вращающимся с определённой частотой ротором, также имеющего такие же отверстия. В момент совпадения отверстий статора и ротора поток прорывается, при этом генерируется ультразвук. Мощность излучения подобных устройств может достигать десятков киловатт акустической мощности.

Более простую конструкцию имеют ультразвуковые свистки, которые похожи на знакомые нам с детства обычные звуковые свистки. В них ультразвук возникает при прохождении кругового потока воздуха в резонирующую камеру цилиндрической формы. Длина камеры изменяемая, что позволяет получать частоты до 50 кГц. Подкупает простота конструкции и вытекающие из этого высокие надёжность и эффективность.

Магнитострикционный эффект и ультразвуковые колебания используются в этом ярлыке акустомагнитной системы защиты от краж. В нем имеется две тонкие свободно перемещающиеся пластинки из ферромагнитного сплава и закрепленный слабый постоянный магнит. Размеры пластинок подобраны таким образом, что при прохождении мимо передающей и приемной катушек на входе в магазин пластинки вибрируют на частоте собственного резонанса (примерно 58 кГц) и продолжают вибрировать после окончания импульса, таким образом усиливая колебания в приемной катушке, что и обнаруживается приемником системы контроля. Непонятно только как предотвратить снятие этого ярлыка теми, кто хочет украсть товар.

При использовании электроакустического метода генерации ультразвука применяют магнитострикционный, электрострикционный и обратный пьезоэлектрический эффекты, присущие различным материалам.

Суть магнитострикционного эффекта

заключается в изменении геометрических размеров ферромагнитных материалов под воздействием изменения величины магнитного поля в нём. Необходимо отметить, что для получения более точного соответствия закона изменения размеров приложенному магнитному полю необходимо применять ферромагнитные материалы с малой петлёй гистерезиса и прилагать к ним постоянное магнитное поле смещения. В противном случае ультразвуковой акустический сигнал, получаемый за счёт магнитострикции, будет иметь высокую нелинейность. Технически такой режим работы получается при протекании переменного тока высокой частоты через обмотку, намотанную на магнитопровод и введением в схему либо дополнительной обмотки с постоянным током, либо созданием смещающего поля дополнительным внешним магнитом.

Пьезоэлектрический преобразователь, работающий в диапазоне 2,4–7,5 МГц и используемый в системах ультразвуковой диагностики; один и тот же пьезоэлектрический датчик используется в качестве генератора и детектора ультразвуковых волн; относительно высокая частота позволяет повысить точность исследования, но, в то же время, чем выше частота, тем менее глубоко проникает сигнал в тело пациента

Суть электрострикционного эффекта

заключается в изменении геометрических размеров диэлектрических материалов под воздействием изменения величины электрического поля в нём. Точно так же, для снижения нелинейности, необходимо создавать смещающее электрическое поле.

Суть обратного пьезоэлектрического эффекта

заключается в изменении геометрических размеров пьезоэлектрических материалов, под действием изменения величины электрического поля в нём. Прямой пьезоэлектрический эффект приводит к накоплению заряда в материале пьезоэлектрика при действии на него механических напряжений. В отличие от предыдущих эффектов, изменение размеров пьезоэлектрических материалов происходит по линейному закону.

Необходимо также заметить, что и магнитострикционный, электрострикционный и пьезоэлектрический эффекты носят обратный характер — изменение геометрических размеров изделий из таких материалов приводит к изменению магнитного и электрического полей соответственно. То есть магнитострикционная, диэлектрическая и пьезоэлектрическая головки могут служить не только излучателями, но и приёмниками ультразвука. Эта особенность находит применение в различных устройствах, предназначенных для измерения расстояний, глубин залегания и толщины слоёв исследуемого объекта. Характерная акустическая мощность таких устройств составляет от сотых долей ватта (устройства управления и обнаружения) до десятка киловатт (промышленная обработка материалов ультразвуком). Для повышения точности измерений применяют более высокочастотный ультразвук.

Расчет «золотого сечения»

Подходя к расчетам нужной для расположения АС позиции в рамках «золотого сечения», я поначалу воспользовался калькулятором, который любезно предоставляет всем желающим Джордж Кардас. Там же он сообщает, что в прямоугольной комнате оптимальной будет расстановка АС по короткой стене. А расстановка по длинной стене — это когда совсем никак по-другому не получается. Точь-в-точь как в моем случае. Будь он неладен, этот платяной шкаф.

Заминка с калькулятором вышла в тот момент, когда он попросил указать расстояние между моими АС. Погоди, Джордж, а не за этим ли я и пришел к тебе? «Экспериментируйте», — отвечает Джордж, небрежно поигрывая соотношениями Фибоначчи.

Выход, конечно же, был найден. В сети можно найти калькулятор для расчета нужных нам пропорций по «золотому сечению».

Здесь подбираемся ближе к сути дела. Сама методика определения нужной позиции для АС заключается в расчете отрезков, которые будут соответствовать «золотому сечению» — как по короткой, так и по длинной стене. Зная общую длину стен, рассчитать эти отрезки в онлайн-калькуляторе не составит труда.

В моем случае были определены два отрезка: по длинной стене примерно 154 см, по короткой — примерно 120 см. Отсчитываю рулеткой от угла и первый, и второй. Таким образом формирую прямоугольник и рисую ему малярным скотчем диагональ. Минуточку, сейчас все станет понятно:

Вот и она, заветная диагональ зеленого цвета. Согласно теории, именно на эту диагональ должен быть ориентирован НЧ-драйвер. Располагаться АС могут в любой из точек этой диагонали, соблюдая синхронность левого и правого канала.

Вы тоже заметили? Похоже, звезды сошлись так, что моя изначальная конфигурация оказалась очень близка к «золотому сечению»! И так вышло не только на схеме — фактически, АС также располагались почти по заветным линиям. Но эксперимент не остановить — я уже слишком далеко зашел.

Было принято решение разместить полочники, ориентируясь по условным вершинам «золотого» прямоугольника. Методом проб и быстрых прослушок оптимальное место было определено, и отразилось оно на схеме, которая максимально близка к реальности:

Вкратце обосную выбор именно этой позиции: увеличилось расстояние от АС до задней стены, что благоприятно сказалось на построении сцены в глубину. Если сдвинуть АС ближе к центру комнаты — очень страдает ширина сцены. Так что я сел на краешек дивана, и тогда моя голова стала вершиной почти идеального треугольника.

Применение ультразвука в промышленности

Ультразвук, в силу особенностей его распространения в различных средах, находит широкое применение при физических, медицинских и биологических исследованиях. Он используется в различных технологиях промышленного производства. В связи с широким применением ультразвука в различных областях науки и техники, ограничимся рассмотрением только наиболее интересных приложений.

Закалка материалов ультразвуком

Ультразвуковой шов двух кусков пластика

Чаще всего многие современные материалы получают из расплавов металлов и пластмасс, а готовые изделия из них — методом литья под давлением. В ходе процесса отвердевания из-за неравномерности температур на поверхности и внутри объёма возникают неоднородности материалов, снижающие механическую и коррозионную прочность изделий из металлов, сплавов и пластмасс. Воздействием ультразвука высокой мощности устраняют остаточное напряжение сжатия, улучшают структуру материала за счёт получение мелкозернистости (для металлов), тем самым повышая механическую прочность изделий в десятки раз. Обычно для устранения различных дефектов применяют комбинации ультразвука разных частот (15 — 55 кГц) и амплитуд смещений (20 —80 мкм) для получения эффекта резонанса. Для получения ультразвуковых колебаний большой мощности применяют магнитострикционные преобразователи.

Ультразвуковая сварка

Ультразвук применяется для сварки изделий из пластмасс и разнородных металлов. При этом акустическая энергия ультразвука переходит в тепловую энергию за счёт трения колеблющихся частиц материала. Такой процесс является прецизионным из-за высокой точности экспозиции и малой тепловой инерционности сваривающей головки. Широко используется в микроэлектронике при изготовлении микросхем и электронных элементов. Характерные частоты ультразвуковых сварочных установок могут варьироваться от 15 до 40 кГц, прилагаемая мощность — от единиц до сотен ватт. Метод позволяет сваривать материалы с прочной оксидной плёнкой на поверхности, например, из алюминия и пермаллоя.

Коробка для этого набора инструментов была изготовлена методом ультразвуковой сварки.

Механическая обработка ультразвуком

Обработка изделий из различных (в том числе и с высокой твёрдостью) материалов ультразвуком позволяет получать сложные формы отверстий и выполнять резьбовую нарезку не только в металлах, но и в стекле, рубине, карбидах и даже в алмазе. Долото сложной формы магнитострикционного вибратора заставляет колебаться мелкодисперсный абразивный порошок из корунда или твердых карбидов в составе абразивной суспензии, тем самым получая ответную форму обрабатываемого изделия. Постоянный поток суспензии позволяет удалять частицы снятого материала из рабочей зоны. Благодаря высокой точности процесса, механическая обработка ультразвуком применяется при изготовлении микроэлектромеханических приборов, таких как акселерометры, которые можно найти в любом смартфоне.

Ультразвуковая очистка

Это тот случай, когда нельзя верить написанному; это определенно не ультразвуковая ванночка для чистки ювелирных изделий; внутри стоит моторчик с эксцентриком, такой же, как в телефонах, с частотой вращения около 6000 об/мин или всего 100 Гц

Возникающие при обработке ультразвуком в ванне для ультразвуковой очистки акустические волны в жидкостных средах приводят к образованию и схлопыванию миллионов мельчайших пузырьков газа, что вызывает образование микроструек жидкости. Это явление называется кавитацией. Кавитационные пузырьки, а также звуковое давление и проникновение жидкости в поры и щели разрушают загрязнения. Ультразвуковая очистка изделий от загрязнений и оксидных плёнок применяется в ювелирном деле, в оптике и точной механике — в процессе изготовления линз и других оптических деталей, деталей механических часов, для очистки и стерилизации стоматологических и хирургических инструментов, а также деталей других точных приборов. Характерные частоты ультразвуковых очистителей составляют от 20 до 40 кГц. Мощность излучения может варьироваться в зависимости от объема очистительной камеры.

Сонохимия

Сонохимия — относительно молодая наука, появившаяся в 80-х годах прошлого столетия в результате изобретения относительно дешёвых, мощных и надёжных генераторов ультразвука. Сонохимия занимается вопросами влияния ультразвука в жидкостях на химическую активность веществ в растворах.

Ультразвук сам по себе не оказывает никакого химического воздействия на межмолекулярные или атомные связи, поскольку присущие ему длины волн намного больше характерных расстояний между атомами в молекулах. Поэтому ультразвуковая волна не влияет на колебательную энергию межатомных связей и, следовательно, не может увеличить внутреннюю энергию молекул. Но, за счёт явления кавитации, ультразвук увеличивает поверхность взаимодействия реагентов, а сам процесс образования и взрывного схлопывания микропузырьков инициирует высокую температуру и сверхдавления в микрообластях растворов. За счёт этого процесса появляются свободные радикалы, ускоряющие протекание химических реакций. Ультразвук позволяет увеличить выход веществ в результате реакции, а также более эффективно использовать энергию.

Ультразвук широко применяется в фототехнике в двигателях управления фокусировкой объективов; ультразвуковые двигатели работают быстрее, точнее и тише, чем обычные микромоторы

Огромную роль ультразвук играет в ходе химических и физических процессов в коллоидных растворах. Мало того, что воздействие ультразвуком позволяет получить эмульсионные растворы из совсем уж несовместимых и не растворяющихся друг в друге химических веществах, он также способствует более высокому коэффициенту извлечения полезных составляющих из разнообразных носителей путём экстрагирования. И даже участвует в преобразовании за счёт переэтерификации экстрагированных масел из различных масличных сельхозкультур в биодизельное топливо, что снижает зависимость человечества от традиционного ископаемого топлива в виде нефти. Обработка сточных вод ультразвуком может на порядки снизить содержание особо опасных хлорсодержащих органических продуктов в сточных водах.

Прослушивание и сравнение

Отметив скотчем выбранные мною в экспресс-тестах позиции для АС по «золотому сечению», я провел сравнение с теми позициями, которые обычно использовал при повседневном прослушивании.

Не претендуя на научный трактат, а лишь ради собственного любопытства, я также провел замеры АЧХ в обеих позициях для АС, и с различным углом их разворота в сторону слушателя. Потому как интересно было сравнить свои субъективные впечатления с графиками, которые я получил по результатам замеров.

Стоит учесть, что представленные мною графики не претендуют на безоговорочную достоверность АЧХ акустических систем в помещении. Но учитывая общую точку отсчета, они все-таки несут информацию о том или ином положении АС в пространстве.

Начнем с привычной мне точки расположения АС. График для нее, полученный на розовом шуме, выглядит вот так:

Рассматриваем пиковую кривую желтого цвета, на белую не обращаем внимания. Для удобства, здесь же размещу следующий график:

Субъективные впечатления совпали с тем, что я увидел на последнем графике: общая картина по НЧ стала восприниматься как более ровная. Схожую ситуацию можно наблюдать и в зоне СЧ/ВЧ. В целом, звуковая картина стала более равномерной.

Что касается пика в районе 10 кГц — он преследует меня везде, и это наверняка специфика использованного мною метода замера АЧХ. Тем не менее, даже рассматривая его в качестве «паразитного» — в данном случае он предоставляет наблюдателю некую информативность. На последнем графике этот пик более острый.

Ощущения были схожими — «искорки» явно прибавилось. Думаю, что изменения в области средних и высоких частот были вызваны приближением АС к измерительному микрофону. По поводу построения сцены — в общих чертах, мне все понравилось. В сравнении с моей обычной расстановкой АС, стала лучше глубина и локализация сцены.

Но не все так гладко, как хотелось бы. Бас стал гармоничнее, но вместе с тем значительно уменьшился уровень громкости, на котором резонансы комнаты начинают вмешиваться в звучание системы. Если доверять моему слуху и генератору частот, помещение резонирует примерно на 54–56 Гц.

Учитывая настройку фазоинвертора полочников на 55 Гц, до определенного уровня громкости этот резонанс не мешает совсем. Но после превышения лимита громкости эти герцы начинают сотрясать платяной шкаф. Так вот, в точках «золотого сечения» резонансы словно активизировались. Полагаю, что для прослушивания в ближнем поле на невысокой громкости это будет хорошим вариантом для моей комнаты.

Вечерело. Осмотрев с лоджии опустевшие улицы столицы и вдохнув свежего воздуха, я продолжил эксперимент. Теперь АС стояли, в упор глядя на меня коаксиальными драйверами. Первый замер АЧХ в обычном положении АС, но с разворотом на слушателя:

Для сравнения — следующий график. АС так же развернуты на слушателя, но расстановка по «золотому сечению»:

Касаемо субъективных интерпретаций этого способа прослушивания — вопросов у меня практически не возникло. В области низких частот звучание стало более умеренное по сравнению со стандартной расстановкой.

С увеличением громкости до уровня, который немного больше того, что я использую для длительного прослушивания, резонансы помещения не вмешивались, как в прошлый раз. Воображаемая сцена очертилась и очень уверенно демонстрировала позиции всех инструментов и вокалистов. Пожалуй, было даже ощущение излишней концентрации информации в пространстве между акустикой.

Похоже, направленность драйверов на слушателя сыграла свою роль: при таких небольших размерах стороны треугольника системы «АС – слушатель» у меня создалось впечатление, что музыкантам и вокалистам тесно. Методика «закрой глаза и укажи пальцем, где контрабас» здесь также работала, но пространство между контрабасом и, например, барабаном не ощущалось так, как при более привычной мне расстановке акустики.

Мне кажется, что опыт прослушивания АС в среднем/дальнем поле вносит свои корректировки и требования, которые не применимы к прослушиванию в ближнем поле.

Применение ультразвука в датчиках движения и при измерениях различных величин

Особенности распространения ультразвука в различных средах играют существенную роль в его применении, в первую очередь в областях обнаружения, локации, идентификации и определения присущих состояний различных объектов.

Ультразвуковые датчики движения и расхода

В допплеровском расходомере передатчик А (оранжевый) облучает жидкость ультразвуковыми волнами, которые отражаются и принимаются приемником В (также оранжевый); массовый расход определяется по разности частот переданного и принятого сигналов

Ультразвуковые датчики не требуют непосредственного контакта с измеряемой средой, поэтому находят широкое применение в различных областях науки и техники. Помимо измерения статических характеристик, ультразвуковые датчики могут фиксировать физические состояния исследуемой среды в динамике, что весьма важно при изучении быстропротекающих процессов. Помимо прочего, за счёт эффекта Доплера, ультразвуковые датчики вполне адекватно работают при измерениях в расходометрах, измерителях уровня и других приложениях, связанных с контролем параметров различных динамических процессов.

Ультразвуковые датчики обнаружения

Акустический парковочный датчик и дисплей

Способность ультразвука эффективно отражаться от различных препятствий нашла широкое применение в технике. На этом принципе построены разнообразные приборы от ультразвуковых дистанциометров до систем автофокусировки для кино и фотосъёмки с применением ультразвуковых моторов для подстройки оптических линз. Немалую роль играет этот принцип в системах неразрушающего контроля сварных швов, контроля толщины выпускаемой продукции в бумагопроизводящей промышленности, и в производстве тонких изделий из пластиков.

Ультразвук широко используется в целях эхолокации дна водоёмов при проводке судов, в рыбной промышленности для обнаружения косяков рыб и в военном деле — для обнаружения как стационарных угроз в виде постановочных минных заграждений, так и для обнаружения динамических объектов в виде подлодок противника, и, в крайнем случае, обнаружения средств поражения в виде торпед и глубинных бомб. Помимо прочего, ультразвуковые датчики движения широко используются в системах контроля объектов от вторжения и в акустических парковочных устройствах.

Выводы

Был ли такой опыт полезен? Несомненно! Оставил ли я акустику в точках по золотому сечению? Нет. И на то есть ряд причин, которые я, собственно, уже описал выше. Ориентируясь на рассчитанные точки, в своем помещении я получил конфигурацию, которая вынуждает меня к прослушиванию в практически ближнем поле. А мне масштаб да размах подавай, чтобы аж УХ!

Но, опираясь на полученные результаты, я нашел новое положение для АС, которое не совсем соответствует «золотому», но все же лучше, чем то, к которому я привык. Несомненно, данный способ дает основательную пищу для размышлений — и в моем случае эти размышления увенчались успехом.

Думаю, что данная теория справедливо заслуживает внимания, и однажды, когда впечатления улягутся, я проведу повторные испытания в комнате с другими параметрами.