Акустический волновод. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Акустический волновод - участок среды, ограниченный в одном или двух направлениях стенками или другими средами, в результате чего устраняется или уменьшается расхождение волн в стороны, поэтому распространение звука вдоль участка происходит с ослаблением меньшим, чем в неограниченной однородной среде. Искусственный акустический аолновод - обычно трубы, ограниченные звуконепроницаемыми стенками (например, органные трубы, вентиляционные каналы, туннели). Естественные акустические волноводы - обычно слои среды: например, для низких частот звука океан представляет собой волновод в виде слоя воды, ограниченного с одной стороны грунтом, а с другой - свободной поверхностью воды. Волновод акустический может быть также образован вертик. слоистой неоднородностью среды (например, подводный звуковой канал в океане): волны, пересекающие под малыми углами слой, в к-ром скорость звука имеет миним. значение, заворачивают к нему обратно в результате рефракции в смежных слоях с большей скоростью звука, как бы отражаясь от этих слоев (см. Гидроакустика ).В отличие от труб, в к-рых звук распространяется прямолинейно (вдоль оси трубы), звук в слое может также распространяться в виде цилиндрически расходящихся или сходящихся волн.

Единственный вид волн, распространяющихся в волноводе акустическом без изменения своей структуры,- нормальные волны (моды). В простейшем случае распространения звука в однородной непоглощающей среде, заполняющей слой или трубу прямоугольного сечения, нормальная волна представляет собой гармоническую волну, бегущую (однородная норм. волна) или экспоненциально затухающую (неоднородная норм. волна) вдоль волновода, и синусоидальную стоячую волну в поперечном направлении. При данной частоте нормальные волны образуют бесконечный дискретный набор волн, различающихся фазовой скоростью и числом узловых линий звукового поля в поперечном направлении: каждой нормальной волне приписывают номер, равный числу этих линий. Распространение нормальной волны в акустическом волноводе характеризуется дополнит. дисперсией скорости; исключение составляют только нормальные волны нулевого номера: их скорость точно равна скорости звука и дисперсия зависит только от свойств среды, заполняющей акустический волновод. Фазовая скорость нормальных волн ненулевого номера всегда больше, а групповая скорость меньше, чем скорость звука с в неогранич. среде. С увеличением частоты первая убывает, а вторая растёт и обе стремятся асимптотически к с. Для каждой нормальной волны номера i имеется своя частота, наз. критической

, тем большая, чем выше номер волны. Ниже этой частоты данная нормальная волна и все волны высших номеров не распространяются, а представляют собой синфазные колебания с амплитудой, меняющейся вдоль волновода по экспоненц. закону. Исключение снова представляет нулевая нормальная волна в акустическом волноводе с абсолютно жёсткими или упругими стенками: эта волна может бежать при любой частоте, т. к. её

. В волноводе акустическом любую свободную гармонич. волну можно представить в виде суперпозиции нормальных волн разных номеров той же частоты. При заданной частоте распространяется только конечное число нормальных волн низших номеров.

Волновод акустический со слоисто-неоднородной средой, как в искусственных, так и в естественных, также существуют дискретные наборы нормальных волн с аналогичными свойствами. При слоистой неоднородности среды, заполняющей волновод, стоячая волна в поперечном направлении уже не будет синусоидальной, но нормальные волны по-прежнему можно нумеровать по числу узловых линий в поперечном сечении. Дисперсионные свойства естеств. Акустический волновод обычно существенно отличаются от дисперсионных свойств однородных волноводов.

Твердотельные акустические волноводы обычно ограничены свободными границами (стержни, пластины). Нормальные волны в таких акустических волноводах образованы как сдвиговыми волнами горизонтальной (параллельной границе раздела) поляризации, так и совместно распространяющимися продольными и сдвиговыми волнами вертикальной поляризации, преобразующимися друг в друга при отражениях на границах. Набор таких нормальных волн богаче, чем в жидких акустических волноводах. В частности, в них возможны нормальные волны с комплексными волновыми числами. В УЗ-технологии твердотельными акустическими волноводами называется также всякие устройства (стержни, концентраторы) для передачи колебательной энергии на некоторое расстояние от источника или для введения колебательной энергии в какую-либо среду.

Литература по акустическим волноводам

Знаете ли Вы, что низкочастотные электромагнитные волны частотой менее 100 КГц коренным образом отличаются от более высоких частот падением скорости электромагнитных волн пропорционально корню квадратному их частоты от 300 тысяч кмилометров в секунду при 100 кГц до примерно 7 тыс км/с при 50 Гц.