|
|
|
| Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии | |
Стартовая страница |
О системе |
Технические требования |
Синтез |
Обучающий модуль |
Справка по системе |
Контакты |
 | Волновод акустический |
 | |
Анимация
Описание
Если некоторая область сплошной среды ограничена в одном или двух направлениях, в ней могут распространяться упругие волны как в виде плоской волны (такой же, как в неограниченных средах), так и в виде нормальных волн, образующихся в результате последовательных отражений от стенок, т.е. реализуются условия волновода (ВВ) или волноводного распространения звука. Примерами ВВ служат слой или труба, заполненные жидкостью или газом, стержни или пластины - твердые ВВ; в последнем случае происходит совместное распространение продольных и поперечных (сдвиговых) волн.
Гармонические волны, распространяющиеся в ВВ без изменения формы, называются нормальными волнами (НВ). Любое звуковое поле внутри ВВ в области, где источники звука отсутствуют, может быть представлено в виде суперпозиции НВ данного ВВ. По структуре звукового поля каждая НВ представляет собой волну, бегущую вдоль ВВ, и стоячую волну в поперечном направлении. Разные НВ различаются числом и расположением узловых поверхностей давления в поперечном сечении ВВ. В простейшем случае двумерного движения в ВВ, образованном плоским слоем жидкости или газа, который заключен между двумя звуконепроницаемыми стенками, узловые поверхности представляют собой плоскости, параллельные стенкам. Каждой НВ приписывается номер (порядок), равный числу имеющихся у ней узловых плоскостей.
Давление в какой-либо НВ, бегущей вдоль оси х в слое, перпендикулярном оси z, можно представить в виде:
pn=Ancos(zn z + en)exp(ixn x),
где n - порядок волны;
Аn - амплитуда;
xn - волновое число НВ, удовлетворяющее уравнению:
xn2 + zn2=k2,
где k = w¤c - волновое число звуковой волны данной частоты в неограниченной среде;
с - скорость звука;
величины en и zn определяются из граничных условий на стенках.
Во всех ВВ для каждой НВ (кроме волны нулевого порядка) существует критическая частота, ниже которой волна не распространяется, а превращается в колебание с амплитудой, меняющейся вдоль ВВ по экспоненциальному закону. Все НВ (также кроме волны нулевого порядка) имеют большую дисперсию скорости.
В отличие от упругих волн в неограниченных твердых средах, НВ в пластинах и стержнях удовлетворяют не только уравнениям теории упругости, но граничным условиям на поверхности пластины или стержня. Поэтому характеристики НВ, в частности их упругое поле - распределение напряжений и смещений по поперечному сечению пластины или стержня - существенно сложнее, чем у волн в неограниченных твердых средах. Вместе с тем НВ представляют собой такие же элементарные волны, как продольные и поперечные в неограниченной среде, в том смысле, что любое сложное волновое движение в пластинах и стержнях распадается на сумму НВ, а поток упругой энергии равен сумме потоков всех НВ.
Ключевые слова
Разделы наук
Используется в научно-технических эффектах
| Устройства для задержки электрических сигналов, основанные на использовании объемных упругих волн (Ультразвуковые линии задержки на объемных волнах) |
 | Устройства для задержки электрических сигналов, основанные на волноводном распространении звука (Ультразвуковые волноводные линии задержки) |
| Устройства для задержки электрических сигналов, основанные на использовании поверхностных акустических волн (Ультразвуковые линии задержки на поверхностных волнах) |
Используется в областях техники и экономики
Используются в научно-технических эффектах совместно с данным эффектом естественнонаучные эффекты
Применение эффекта
Простейшим примером ВВ может служить переговорная труба, соединяющая капитанский мостик с машинным отделением на старых пароходах, а также медицинский стетоскоп. К геофизическим ВВ относятся слои в твердой оболочке Земли, атмосфере и океане (см. ''Океанский волновод''). Особенности распространения упругих волн в геофизических ВВ дают возможность исследовать внутреннее строение Земли, динамику очагов землетрясений и т.д.
Акустические ВВ широко применяются в акустоэлектронике. В них используются как объемные, так и поверхностные волны. ВВ на объемных волнах представляют собой полоски, ленты или проволоку, в которых возбуждаются определенные нормальные волны. Такие ВВ могут служить в качестве линий задержки на большие времена или в качестве дисперсионных линий задержки (см.описание: ''Линии задержки на объемных волнах''). В случае поверхностных волн ВВ выполнены в виде металлических или диэлектрических полосок определенных размеров и сечения (рис. 1).
Типы акустических волноводов для поверхностных волн
Рис. 1
Обозначения:
а - выступ;
b - канавка;
c - металлическая пленка.
Такие ВВ используют для изменения направления распространения волн и увеличения времени задержки.
Реализации эффекта
Техническая реализация эффекта
Техническая реализация до того проста, что каждый человек многократно ей пользовался. Привычка прикладывать ухо к рельсу, чтобы определить, идет ли где-то вне видимого горизонта поезд, как раз основана на эффекте волноводного распространения звука в рельсе. Кроме того, можно еще упомянуть детский “телефон” из двух спичечных коробок с натянутой ниткой (в данном случае волноводом является нитка), а также медицинский стетоскоп, также основанный на волноводном распространении звука.
Литература
1. Ультразвук / Под ред. И.П. Голяминой. - М.: Советская Энциклопедия, 1979. - С. 400.
2. Бреховских Л.М., Гончаров В.В. Введение в механику сплошных сред. - М.: Наука, 1982.
| Стартовая страница О системе Технические требования Синтез Обучающий модуль Справка по системе Контакты | |
 |
|
| Copyright © 2008 РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина | |
