Где-нибудь на форуме обязательно всплывает тезис: «летом сцена одна, зимой другая, это воздух в салоне преломляет звук». Звучит солидно. Посчитаем в цифрах, что преломление реально делает в машине, а что ему приписывают зря.
Как звук преломляется
По какому закону звук преломляется?
По тому же закону Снеллиуса, что и свет: sin θ₁ / c₁ = sin θ₂ / c₂. Здесь θ угол к нормали к границе, c скорость звука в каждой среде. Переход в более быструю среду отклоняет луч от нормали, в более медленную прижимает к ней. Представь колонну машин, которая под углом съезжает с грунтовки на асфальт: левые колёса выехали первыми и поехали быстрее, колонна разворачивается.
Насколько скорость звука зависит от температуры?
Для воздуха c ≈ 331,3 · √(1 + T/273,15) м/с. При −20 °C около 319 м/с, при +20 °C около 343 м/с, при +40 °C около 355 м/с. Разница между морозом и жарой примерно 11%.
Что преломление делает в машине?
Так зимой сцена правда другая?
Сама температура меняет время прихода звука, это правда. Путь 1,2 м от дальнего динамика до головы звук пройдёт за 3,76 мс при −20 °C и за 3,38 мс при +40 °C. Но для сцены важна не абсолютная задержка, а разница между левым и правым каналом. Разница путей 0,3 м даёт 0,94 мс при −20 °C и 0,85 мс при +40 °C. Расхождение около 0,1 мс, это эквивалент примерно 3 см в настройке задержек. На слух заметить можно, если очень стараться, но это явно не «другая сцена».
А вот если сцена зимой разъехалась сильно, ищи другие причины: холодные подвесы динамиков жёстче, зимняя одежда поглощает верх, шипованная резина шумит иначе и маскирует другие частоты.
А преломление внутри салона бывает?
Формально да: у лобового стекла, прогретого солнцем, воздух теплее, чем у пола под работающим кондиционером. Прикинем самый жёсткий случай: слой +60 °C у стекла против +25 °C в салоне. Луч, падающий под 30°, выйдет под 31,9°. Поворот меньше двух градусов, и только в тонком слое у стекла. На фоне того, что делают отражения от того же стекла, это пренебрежимо.
Где преломление реально важно?
На открытом воздухе и на больших расстояниях. Вечером земля остывает, у земли холоднее, выше теплее. Звук, ушедший вверх, заворачивает обратно к земле, и музыку с соседнего берега слышно за километр. Днём наоборот: у земли тепло, лучи уходят вверх, и в сотне метров от сцены становится тише, чем ожидалось. Ветер работает похоже: по ветру звук прижимается к земле, против ветра уходит вверх. Для звука на открытых площадках это важно, для салона машины длиной 2,5 м нет.
Чем преломление отличается от соседних явлений
Чем преломление отличается от дифракции и отражения?
| Явление | Что происходит | Роль в салоне |
|---|---|---|
| Отражение | Волна отскакивает от поверхности | Огромная: стёкла, торпеда, двери |
| Дифракция | Волна огибает препятствие или край | Заметная: края панели, стойки, кресла |
| Рассеяние | Волна разбрасывается неровностями | Средняя: ручки, обивка, сиденья |
| Преломление | Волна поворачивает на границе сред с разной скоростью | Ничтожная, если нет больших перепадов температуры |
А звук из воздуха в воду или в металл?
Там преломление сильное, но почти вся энергия отражается. Скорость звука в воде около 1480 м/с, и критический угол для перехода из воздуха всего около 13,4°. Лучи под большим углом полностью отражаются. Поэтому и дверь машины для звука скорее «зеркало», чем «линза»: звук в металл почти не проходит, он отражается или раскачивает панель как мембрану (это уже тема виброизоляции).
Температура, задержки и моды: короткие ответы
Задержку в сантиметры пересчитывают умножением на скорость звука: расстояние = c × t. При +20 °C 1 мс соответствует примерно 34,3 см, а 0,1 мс около 3,4 см. В морозном салоне при −20 °C та же 1 мс даёт уже около 31,9 см. Большинство звуковых процессоров считают это сами по введённой дистанции, но формула помогает проверить, что они берут нормальную скорость звука.
В холодной машине моды салона немного сдвигаются вниз, потому что скорость звука падает. Первая продольная мода салона длиной 2,5 м при +20 °C около 68,6 Гц, а в непрогретой машине при −20 °C около 63,8 Гц, разница примерно 7%. Когда салон прогрелся, моды возвращаются на место. Подробнее про сами резонансы в статье «Моды и стоячая волна».
Печка и кондиционер на звук через преломление почти не влияют. Между +20 и +40 °C скорость звука меняется с 343 до 355 м/с, и на разнице путей 0,3 м расхождение задержек выходит около 0,03 мс, это примерно 1 см. Слои тёплого и холодного воздуха в салоне тонкие и поворачивают звук меньше чем на пару градусов. Шум вентилятора на большой скорости мешает слушать куда сильнее.
Акустическая линза работает на том же принципе, что и преломление: часть фронта волны идёт более длинным путём или медленнее и отстаёт, поэтому фронт поворачивается. В громкоговорителях так расширяют или сужают диаграмму направленности на ВЧ. Скорость звука в воздухе для этого не меняют, нужный эффект дают геометрия пластин и каналов. Подробнее в статье «Акустическая линза».
Перенастраивать задержки под сезон обычно не нужно. Сдвиг от преломления и температуры около 3 см в эквиваленте на разнице путей меньше, чем погрешность от того, как ты сел в кресло. Если всё же хочется, сделай два пресета и сравни вслепую. Скорее всего, разницу не угадаешь.
Преломление хороший пример того, как физика помогает отсеять мифы: прежде чем винить воздух, посчитай, на что он способен. Этой привычке посвящён шаг «Изучаем теорию».
Замечал сезонные перемены в звуке своей машины? Напиши в чат EBAEVSQ, что именно меняется, попробуем найти настоящую причину.
Источники
- Л. Беранек, «Акустика» (русский перевод, 1965)
- В. К. Иофе, В. Г. Корольков, М. А. Сапожков, «Справочник по акустике», 1979
- А. П. Ефимов, А. В. Никонов, М. А. Сапожков, В. И. Шоров, «Акустика. Справочник», 1989
См. также: Длина волны, Delay, Акустическая линза.