Спосіб досягнення подібності при фізичному моделюванні процесів поширення звуку

Реферат: Спосіб досягнення подібності при фізичному моделюванні процесів поширення звуку включає побудову моделі, елементи якої виготовлені з матеріалів з коефіцієнтами звукопоглинання, однаковими з коефіцієнтами звукопоглинання для подібних їм елементів натури, котрі є геометрично подібними до натури і кратні їй в c раз c  Lм / Lн . Виконують наступне відтворення на зазначеній моделі звукового сигналу, адекватного натурному звуковому сигналу, видозміненого за рахунок зміни його частотних характеристик у співвідношенні: fм  fн / с , Гц, і наступну реєстрацію розподілу звукового випромінювання в досліджуваних точках на моделі, наприклад, за допомогою мікрофона і шумоміра. Забезпечують подібність еквівалентних проміжків часу в моделі і натурі. Виконують запис спектра шуму в натурному досліджуваному об'єкті із застосуванням вимірювального магнітофона на моделі міської забудови, зменшеної в c раз. Відтворюють цей запис зі швидкістю відтворення, у c раз більшою вихідної швидкості. UA 110658 U (54) СПОСІБ ДОСЯГНЕННЯ ПОДІБНОСТІ ПРИ ФІЗИЧНОМУ МОДЕЛЮВАННІ ПРОЦЕСІВ ПОШИРЕННЯ ЗВУКУ UA 110658 U UA 110658 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до вимірювальної техніки й може бути використана при дослідженні шумового режиму зашумованих об'єктів на фізичних моделях. У наш час дуже різко постала проблема моделювання процесів поширення звуку на шляху від джерела до об'єкта, який вимагає захисту від шуму, - оскільки відомо, що за всіма відомими критеріями вигідно і зручно передбачати, проектувати, конструювати і т.д. різноманітні шумозахисні заходи й засоби саме на стадії проектування (або реконструкції) об'єкта, доки він ще не існує в натурі. Таким чином, проблема прогнозування, картографування, оцінки шумового режиму, можливості вивчення ефекту варіабельності різних шумозахисних засобів та ін. є нагальною. Одним зі шляхів рішення цієї проблеми є фізичне моделювання. Воно здійснюється за допомогою моделей, подібних до натури, тобто подібні величини моделі й натури мають однакову фізичну природу й однаковий математичний опис. При цьому зберігаються особливості натурного експерименту, але полегшується одержання результатів, тому що споконвічно вибрані зручні діапазони виміру фізичного полю. Відомим є спосіб досягнення подібності досягнення подібності при фізичному моделюванні процесів поширення звуку, що включає побудову моделі, елементи якої виготовлені з матеріалів з коефіцієнтами звукопоглинання, однаковими з коефіцієнтами звукопоглинання для подібних їм елементів натури, котрі є геометрично подібними до натури і відрізняються від неї в c раз, де c - константа подібності: c  Lм / Lн , де L м і L н - відповідно, лінійні моделі в моделі і у натурі, м; наступне відтворення на зазначеній моделі звукового сигналу, адекватного натурному звуковому сигналу, видозміненого за рахунок зміни його частотних характеристик у співвідношенні: fм  fн / с , Гц, де fн - частота натурного й звукового випромінювання, Гц; fм - частота подібного йому звукового випромінювання на моделі, Гц; і наступну реєстрацію розподілу звукового випромінювання в досліджуваних точках на моделі, наприклад, за допомогою мікрофона й шумоміра [1]. Недоліком відомого способу є невідповідність спектра шуму в натурі спектра шуму в моделі, який повинен бути адекватним йому. При тому спостерігається певна закономірність - спектри відрізняються між собою лише пропорційним зсувом частот. Дійсно, відомий спосіб передбачає заміну натурного звукового випромінювання, наприклад, із частотою 1 кГц на моделі, яка геометрично зменшена в 10 разів, при тому імітують його модельним звуковим випромінюванням із частотою 10 кГц. Це вимога подібності відбита на фіг. 1 графіками "вузькосмуговий спектр-натура" й "вузькосмуговий спектр-модель". Технічно вона задовольняється тим, що натурне джерело шуму із частотою випромінювання 1 кГц заміняють моделлю із частотою випромінювання 10 кГц. Цю зміну частоти порівняно легко реалізувати лише для випадків "вузькосмуговий спектр-натура" й "вузькосмуговий спектрмодель". Однак реальний шум, котрий підлягає дослідженню, як правило, широкосмуговий. Приклад такого спектра представлений на фіг. 1 графіком "широкосмуговий спектр-натура". Очевидно, що для виконання вимоги подібності на тієї ж самій зменшеній в 10 разів моделі він повинен бути видозмінений відповідно до графіка "широкосмуговий спектр-модель". Це вимога, прекрасно зрозуміла навіть умоглядно, натикається на непереборну перешкоду в плані технічної реалізації. Виникає питання, яким образом відтворити на моделі звуковий спектр, котрий за формою своєї в точності відповідає натурному, з усіма його піками і спадами - однак зміщений щодо його в область високих частот. Із цієї причини дослідження на фізичних моделях процесів поширення звуку з використанням відомого способу проводяться з випромінюванням звуку в моделі лише на певних дискретних частотах (представлених на фіг. 1 як "вузькосмуговий спектр-натура" і "вузькосмуговий спектр-модель"). У зв'язку із цим подібність порушується; такі моделі є вкрай наближеними, і представляють як результати лише малодостовірні відомості, придатні лише для орієнтовної оцінки шумового забруднення. При використанні відомого способу подібність моделі і натури порушується також з іншої причини. Так, реальні звуки характеризуються спектром, що змінюється протягом часу. Себто шум, як відомо, ділиться на постійний та непостійний. 1 UA 110658 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Відомий спосіб, забезпечуючи можливість моделювання постійного шуму, не дозволяє моделювати непостійні шуми. Це пов'язане зі зміною масштабу часу в зменшеній або збільшеній моделі. Задачею корисної моделі є забезпечення подібності натурного і модельного явищ поширення звукової хвилі (залежно від масштабу лінійних розмірів) за параметрами: - зсуву частоти випромінюваного звуку в моделі стосовно відповідної їй частоті звуку в натурі; - зміни проміжків часу в моделі стосовно відповідних проміжків часу в натурі. Крім того, задачею корисної моделі є також значне спрощення процесів генерації звуку з необхідними параметрами в моделі стосовно відповідних їм параметрам натурного звуку, і зниження трудомісткості фізичного моделювання акустичних процесів. Поставлені задачі вирішуються тим, що запропоновано спосіб досягнення подібності при фізичному моделюванні процесів поширення звуку, що включає побудову моделі, елементи якої виготовлені з матеріалів з коефіцієнтами звукопоглинання, однаковими з коефіцієнтами звукопоглинання для подібних їм елементів натури, котрі є геометрично подібними до натури і відрізняються від неї в c раз, де c - константа подібності: c  Lм / Lн де L м і L н - відповідно, лінійні моделі в моделі і у натурі, м; наступне відтворення на зазначеній моделі звукового сигналу, адекватного натурному звуковому сигналу, видозміненого за рахунок зміни його частотних характеристик у співвідношенні: fм  fн / с , Гц, де fн - частота натурного і звукового випромінювання, Гц; fм - частота подібного йому звукового випромінювання на моделі, Гц; і наступну реєстрацію розподілу звукового випромінювання в досліджуваних точках на моделі, наприклад, за допомогою мікрофона й шумоміра, який згідно з корисною моделлю, передбачає те, що забезпечують подібність еквівалентних проміжків часу в моделі і натурі за рахунок того, що виконують запис спектра шуму в натурному досліджуваному об'єкті із застосуванням вимірювального магнітофона; на моделі міської забудови, зменшеної в c раз, відтворюють цей запис зі швидкістю відтворення, у c раз більшою вихідної швидкості. Пропонований спосіб пояснюється фіг. 1, де надані спектри шуму (вузькосмуговий і широкосмуговий), характерні для натурного об'єкта; і еквівалентні їм спектри шуму (вузькосмуговий і широкосмуговий) у відповідній йому моделі, зменшеній в 10 разів (с=1:10); а також фіг. 2а та фіг. 2б, де зображено графік зміни рівня звукового тиску залежно від часу в натурному об'єкті (фіг. 2а) і еквівалентний йому графік зміни рівня звукового тиску залежно від часу в моделі, зменшеній в 10 разів (с=1:10) (фіг. 2б) Суть корисної моделі базується на тому положенні, що відповідні один одному проміжки часу в моделі і у натурі ніяк не рівні між собою, а зв'язані пропорційною залежністю. При цьому варто врахувати, що лінійні розміри моделі і натури зв'язуються через константу подібності c (масштаб лінійних розмірів) L м  cLн , м. Повертаючись до нашого прикладу моделі, зменшеної в 10 разів стосовно натури, в цьому випадку константа подібності вираховується як с=1/10=0,1. Однак звук при фізичному моделюванні акустичних процесів поширюється з однаковою швидкістю в моделі і у натурі. При фізичному моделюванні звук моделюється звуком; у моделі, заповненою тим же самим середовищем поширення, наприклад, повітрям, неможливо змусити звук рухатися повільніше або швидше. Це означає, наприклад, що в зменшеній в 10 разів моделі час тече в 10 разів швидше. Це графічно представлено на фіг. 2а, і фіг. 2б, де (для якого-небудь абстрактного випадку) показані: - фіг. 2а - графік зміни рівня звукового тиску залежно від часу в натурному об'єкті; - фіг. 2б - графік зміни рівня звукового тиску залежно від часу в моделі цього об'єкта, зменшеної в 10 разів. Проміжок часу тривалістю в 10 секунд, характерний для натурного об'єкта, у зменшеній в 10 разів моделі повинен імітуватися еквівалентним йому проміжком часу тривалістю в 1 секунду, у якому в "стисному" вигляді повинен укластися той же самий графік зміни рівня звукового тиску залежно від часу. При моделюванні постійного шуму в натурі еквівалентним йому постійним шумом у моделі все це не має значення. Однак переважна більшість джерел шуму випромінюють аж ніяк не постійний, а непостійний шум, з рівнем, що змінюється в часі. Якщо розглядати окремі звукові 2 UA 110658 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 сигнали, котрі підлягають моделюванню, то зовсім очевидно, що на моделі (залежно від її масштабу лінійних розмірів), вони повинні бути відтворені повільніше або швидше. Повертаючись до вищевказаної вимоги зміни частот звукового випромінювання в моделі відносно до частот звукового випромінювання в натурі, що спочатку було пояснено нами вище як вимога дотримання подібності довжин хвиль у моделі і натурі: (зміна довжини хвилі досягають за рахунок пропорційної зміни частоти), можна зайвий раз підтвердити його зовсім іншим способом. Частота, Гц, є фізична величина, зворотна часу; тому зменшення проміжку часу звучання якого-небудь сигналу в моделі, наприклад, в 10 разів вимагає підвищення його частоти в таку ж кількість разів (і навпаки). Таким чином, ситуація, показана на фіг. 1, у силу основних фізичних закономірностей (частота обернено пропорційна часу) випливає із ситуації, показаної на фіг. 2, і навпаки. Спрощення й зниження трудомісткості досягаються тим, що перед побудовою моделі виконують запис спектра шуму в натурному досліджуваному об'єкті, (наприклад, із застосуванням вимірювального магнітофона). У способі-прототипі необхідно досліджувати подібні дані (спектр шуму в натурному досліджуваному об'єкті), і підібрати частоти випромінювання звуку на моделі, пропорційно змінені стосовно натурних частот. Відповідно до корисної моделі, подібна процедура не потрібна; дані натурних вимірів просто записуються, наприклад, на вимірювальний магнітофон; ніяка обробка не потрібна. Дуже часто фізичне моделювання процесів поширення шуму використовують не для дослідження вже існуючого натурного об'єкта, а для прогнозування шумового режиму на новому, проектованому об'єкті - який ще не існує. У цьому випадку використають дані існуючих аналогів. Ніщо не заважає, наприклад, виконати запис фонограми шумового режиму на одному з реально існуючих об'єктів, щоб потім поширити ці вихідні дані на модель проектованого об'єкта, аналогічного по призначенню й деякою мірою еквівалентного по ряду інших параметрів. Головна задача корисної моделі - забезпечення подібності натурного й модельного явищ поширення звукової хвилі (залежно від масштабу лінійних розмірів) за параметрами: - зсуву частоти випромінюваного звуку в моделі стосовно відповідній їй частоті звуку в натурі; - зміни проміжків часу в моделі стосовно відповідних проміжків часу в натурі, - досягають тим, що на моделі міської забудови, зменшеній в с раз, відтворюють цей запис зі швидкістю відтворення, у с раз більшій вихідної швидкості. При цьому відбувається відоме явище транспонування, - яке полягає в тому, що при відтворенні фонограми з підвищеною швидкістю щодо тієї швидкості, на якій вироблявся запис, відбувається перекручування цієї фонограми за рахунок зсуву частот у бік більше високих і стиску за часом звучання її відтворених ділянок. Подібність еквівалентних проміжків часу в моделі і натурі досягається, якщо масштаб швидкостей відтворення збігається з масштабом лінійних розмірів відповідних елементів моделі і натури. Відповідно, якщо потрібно досліджувати явища на збільшених в c раз моделях (це зворотне завдання, на відміну від прямого завдання, для більшості практичних застосувань не характерна, але принципова можливість такої необхідності може виникнути), - відтворюють цей запис зі швидкістю відтворення, у c раз меншої вихідної швидкості. Експерименти по фізичному моделюванню акустичних процесів, проведені в заглушеній камері й на акустичному полігоні Придніпровської державної академії будівництва й архітектури, підтверджують правильність зазначених теоретичних передумов. Джерела інформації: 1. Градостроительные меры борьбы с шумом / Осипов Г.Л. и др. М.: Стройиздат, 1975. 215 с. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 50 55 Спосіб досягнення подібності при фізичному моделюванні процесів поширення звуку, що включає побудову моделі, елементи якої виготовлені з матеріалів з коефіцієнтами звукопоглинання, однаковими з коефіцієнтами звукопоглинання для подібних їм елементів натури, котрі є геометрично подібними до натури і кратні їй в c раз, де c - константа подібності: c  Lм / Lн , де L м і L н - відповідно, лінійні моделі в моделі і у натурі, м, наступне відтворення на зазначеній моделі звукового сигналу, адекватного натурному звуковому сигналу, видозміненого за рахунок зміни його частотних характеристик у співвідношенні: fм  fн / с , Гц, 3 UA 110658 U 5 де fн - частота натурного й звукового випромінювання, Гц, f м - частота подібного йому звукового випромінювання на моделі, Гц, і наступну реєстрацію розподілу звукового випромінювання в досліджуваних точках на моделі, наприклад, за допомогою мікрофона й шумоміра, який відрізняється тим, що забезпечують подібність еквівалентних проміжків часу в моделі й натурі, виконують запис спектра шуму в натурному досліджуваному об'єкті із застосуванням вимірювального магнітофона на моделі міської забудови, зменшеної в c раз, відтворюють цей запис зі швидкістю відтворення, у c раз більшою вихідної швидкості. 4 UA 110658 U Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5