Акустический волновод

Акустический волновод — это физическая конструкция для направления звуковых волн , т. е. волновод, используемый в акустике .

Примеры

Одним из примеров является переговорная трубка, используемая на борту кораблей для связи между палубами.

Другие примеры включают задний проход в корпусе громкоговорителя линии передачи , ушной канал и стетоскоп . Этот термин также применяется к направленным волнам в твердых телах.

Канал распространения звука также ведет себя как линия передачи (например, канал кондиционера, глушитель автомобиля и т. д.). В воздуховоде содержится некоторая среда , например воздух , которая поддерживает распространение звука. Его длина обычно составляет около четверти длины волны , которую предполагается направлять, но размеры его поперечного сечения меньше этого значения. Звук вводится на одном конце трубки за счет изменения давления в направлении распространения, что приводит к перемещению градиента давления перпендикулярно поперечному сечению со скоростью звука . Когда волна достигает конца линии передачи, ее поведение зависит от того, что находится в конце линии. Существует три обобщенных сценария:

Нагрузка с низким импедансом (например, если оставить конец открытым на открытом воздухе) вызовет отраженную волну, в которой знак изменения давления изменится, но направление волны давления останется прежним.

Нагрузка, которая соответствует характеристическому сопротивлению (определенному ниже), полностью поглотит волну и энергию связанную с ней . Никакого отражения не произойдет.

Нагрузка с высоким импедансом (например, затыкание конца линии) вызовет отраженную волну, в которой направление волны давления изменится на противоположное, но знак давления останется прежним.

Поскольку линия передачи ведет себя как четырехполюсная модель, невозможно определить или измерить импеданс компонента линии передачи. Однако можно измерить его входное или выходное сопротивление. Оно зависит от площади поперечного сечения и длины линии, частоты звука, а также характеристического сопротивления звуковой среды внутри воздуховода. Только в исключительном случае трубки с закрытым концом (по сравнению с электрическим коротким замыканием) входное сопротивление можно рассматривать как составляющее сопротивление.

Если линия передачи конечной длины не согласована на обоих концах, существует вероятность того, что волна будет многократно отражаться вперед и назад, пока не будет поглощена. Это явление является своего рода резонансом и имеет тенденцию ослаблять любой сигнал, подаваемый в линию.

Когда этот резонансный эффект сочетается с каким-либо механизмом активной обратной связи и входной мощностью, можно создать колебание , которое можно использовать для генерации периодических акустических сигналов, таких как музыкальные ноты (например, в органной трубе).

Однако применение теории линий передачи в акустике используется редко . Используется эквивалентная четырехполюсная модель, которая разделяет волны нисходящего и восходящего потока. Это облегчает введение физически измеримых акустических характеристик, коэффициентов отражения , констант материала изоляционного материала, влияния скорости воздуха на длину волны (число Маха) и т. д. Этот подход также обходит непрактичные теоретические концепции, такие как акустическое сопротивление трубки, которое не поддается измерению из-за присущего ему взаимодействия с источником звука и нагрузкой акустического компонента.

См. также

• Акустическая линия передачи — тип технологии, используемый в некоторых громкоговорителях и основанный на принципах акустического волновода.

Библиография

• Морс, П.М., Вибрация и звук, МакГроу Хилл, 1948, Нью-Йорк, штат Нью-Йорк.
• Пирс, А.Д., Акустика: введение в ее физические принципы и применение, МакГроу Хилл, 1981, Нью-Йорк, штат Нью-Йорк.