|
|
|
| Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии | |
Стартовая страница |
О системе |
Технические требования |
Синтез |
Обучающий модуль |
Справка по системе |
Контакты |
 | Излучение звука |
 | |
Анимация
0
Описание
Излучение звука (ИЗ) происходит вследствие колебательных движений излучающего устройства (или его рабочей поверхности), помещенного в сплошную среду или находящегося на одной из ее границ. Звуковое поле, создаваемое излучателем, существенно зависит от формы излучателя, вида его колебаний, от частоты, определяемой соотношением между размерами излучателя и длиной волны излучаемого им звука, а также от соотношения между акустическими сопротивлениями материала излучателя и среды, в которой распространяется излучаемый звук.
Различные излучатели звука могут работать в гармоническом, негармоническом непрерывном или импульсном режимах, однако, поскольку процесс ИЗ в двух последних случаях с помощью спектрального представления сложного сигнала можно свести к рассмотрению излучения соответствующих гармонических компонент, ниже будет рассмотрено только излучение гармонических волн и зависимости характеристик генерируемых полей от параметров гармонических излучателей.
Для излучателей, размеры колеблющихся элементов которых велики по сравнению с длиной волны, подобной моделью может служить бесконечная плоскость, совершающая колебания синфазно, как одно целое, в направлении своей нормали - так наз. поршневое ИЗ. При этом в среде генерируется плоская бегущая волна, в которой звуковое давление р и колебательная скорость частиц v синфазны и для любой формы волны находятся в соотношении p/v = rc, где r - плотность среды, с - скорость звука. Для гармонической волны средняя удельная мощность звука равна:
w = (1/2)·p0·v0 = p02/2rc = (1/2)rcv02, (1)
где p0 и v0 - амплитуды давления и колебательной скорости на излучающей поверхности.
Для излучателя поршневого типа (рис. 1), если размеры поршня много больше длины волны, излучаемое волновое поле на его поверхности и вблизи него мало отличается от поля, создаваемого бесконечной плоскостью; почти по всей поверхности поршня давление и колебательная скорость синфазны, и удельную мощность также можно рассчитывать по формуле (1).
Схематическое изображение поршневого излучателя
Рис. 1
Удельную мощность излучения можно выражать через акустический импеданс (АИ) z на излучающей поверхности - отношение давления на этой поверхности к ее колебательной скорости, т.е. z = p/v. Для большого поршня удельный АИ веществен и равен rс, поэтому удельную мощность излучения можно записать в виде:
w = (1/2)·z·v02. (2)
Соответственно полная излученная мощность поршня площадью S равна:
W = (1/2)·r·c·v02·S. (3)
Для поршня, размеры которого малы по сравнению с длиной волны, удельная излучаемая мощность много меньше, чем для большого поршня. Так, для круглого поршня радиуса a в жестком экране при условии ka << 1
w = (1/4)·r·c·(ka)2·v02,
где k - волновое число.
Для малого поршня давление уже не синфазно с колебательной скоростью на его поверхности, поэтому удельный АИ является комплексной величиной: z = Re z + i·Im z.
Средняя удельная мощность излучения в этом случае рассчитывается по формуле:
w = (1/2)·Re z·v02, (4)
Таким образом, для малого поршня Re z = (1/2)(ka)2·rc, и уменьшение удельной мощности можно трактовать как уменьшение удельного сопротивления излучения, т.е. действительной части удельного АИ Re z. Мнимая или реактивная часть АИ Im z обусловливает "безваттную" реактивную мощность излучателя, связанную с периодическим обменом энергией между излучателем и прилегающими к нему слоями среды (эта энергия локализована вблизи излучателя и не дает вклада в излучение).
При произвольном соотношении между размерами излучателя и длиной волны обычно пользуются моделью излучателя нулевого порядка - пульсирующей сферой (ПС) или монополем, рис. 2.
Модель излучателя нулевого порядка (монополя)
Рис. 2
Звуковое давление, создаваемое ПС на расстоянии r от ее центра, равно:
p = - i·r·w(Q /4pr)exp(ikr), (5)
где w - частота пульсаций;
Q - производительность излучателя.
Излучение ПС сферически симметрично, колебательная скорость равна:
v = - (1/4pr2)(ikr - 1)Q·exp(ikr). (6)
Удельный АИ ПС радиуса а равен:
z = p/v кr = a = - (ircka)/(1 + k2a2) + (rck2a2)/(1 + k2a2). (7)
При ka << 1 Re z » rc(ka)2 , следовательно, при заданном радиусе ПС и данной амплитуде колебательной скорости удельная и полная мощности излучения пропорциональны квадрату частоты. При заданной же амплитуде смещения при том же условии ka << 1 удельная и полная мощности оказываются пропорциональными четвертой степени частоты. Этим объясняется малая эффективность ИЗ излучателями, малыми по сравнению с длиной волны, например, малое количество энергии, передаваемой в жидкость концом УЗ-инструмента. При ka = 1 удельное сопротивление излучения Re z = rc/2, а значение abs(Im z) достигает максимума, равного также rc/2 (рис. 3).
Зависимость вещественной и мнимой частей волнового импеданса от безразмерного волнового числа звука
Рис. 3
При дальнейшем увеличении ka сопротивление излучения растет, асимптотически стремясь к rc, а реактивная компонента асимптотически стремится к нулю. Для больших ka снова применимы формулы (3) и (4). Удельная мощность для любого ka выражается через давление на поверхности формулой w = p2/ 2rc (как и для бесконечной плоскости), однако скорость поверхности излучателя для получения заданного давления должна быть в sqrt(1 + k2a2)/ka раз больше, чем для бесконечной плоскости. Полная излучаемая мощность ПС любого радиуса выражается через его производительность формулой:
W = rck2·Q2/8p. (8)
Помимо излучателей типа монополя или ПС существует важный класс излучателей, не создающих объемной скорости, например, осциллирующие тела, струны. Поле таких излучателей также является полем сферических волн (т.е. поверхности равных фаз - сферы), но излучение не имеет сферической симметрии, поскольку давление зависит от угла q между направлением осцилляций и направлением на точку наблюдения. Моделью, описывающей ИЗ осциллирующими источниками, является излучатель первого порядка - осциллирующая сфера (ОС) или диполь, рис. 4.
Акустический диполь
Рис. 4
Характеристикой направленности диполя является тело вращения с меридианом в виде восьмерки, образованной двумя касающимися окружностями единичного диаметра. При малом радиусе сферы (ka << 1) звуковое давление, создаваемое ОС, равно:
p = irw2pa3u·[(ikr - 1)/(4pr2)]·exp(ikr)·cosq, (9)
где u - амплитуда скорости осцилляций ОС.
Средняя излучаемая мощность рассчитывается по формуле:
W = (1/6)rcpa2(ka)4u2. (10)
При заданных a и u излучаемая мощность пропорциональна четвертой степени частоты, следовательно, убывает с уменьшением частоты еще быстрее, чем мощность излучения ПС. В частности, именно поэтому струны музыкальных инструментов, сами по себе дающие очень слабое ИЗ, приходится укреплять на деках, которым передаются колебания струн и которые в силу своих больших размеров эффективно излучают звук.
Для получения острой направленности ИЗ применяют либо протяженные излучатели (например, большой поршень или протяженные цепочки излучателей общей длиной больше длины волны) и сверхнаправленные системы, в которых сужение характеристики направленности достигается за счет значительного увеличения реактивной мощности системы, либо используют специальные устройства для фокусировки звука.
Ключевые слова
Разделы наук
Жидкости
Твердые тела
Общие вопросы газо- и гидродинамикиАкустика
Механические колебания и волны
Динамика
Применение эффекта
Практически все акустические технологии и методы исследований связаны с ИЗ. Поэтому излучатели звука различных частотых диапазонов - от инфразвуковых и сейсмических источников, используемых геофизиками, до излучателей ультразвука и гиперзвука, применяемых в различных технологических процессах, акустоэлектронике, структурных исследованиях веществ - входят в состав разнообразных технических систем и сами по себе представляют собой сложные системы, различающиеся по принципу генерирования колебаний, излучаемой мощности, рабочему частотному диапазону, характеристикам направленности, способам согласования со средой и т.д.
Несмотря на многообразие технических реализаций ИЗ, можно выделить два основных класса излучателей звука:
1) преобразователи электрических колебаний в энергию колебаний какого-либо твердого тела (пластинки, стержня, диафрагмы), которое излучает звук в окружающую среду - электроакустические преобразователи (ЭАП). Основные типы ЭАП: пьезоэлектрические, магнитострикционные, электродинамические, электромагнитные, электростатические.
Наибольшее распространение получили два первых типа ЭАП вследствие ряда принципиальных преимуществ - линейности амплитудно-частотных характеристик, стабильности излучаемого звука, возможности работы в энергетически выгодном резонансном режиме на одной из собственных частот, простоты конструкции, надежности и большого временного ресурса. Принцип действия этих двух типов ЭАП основан соответственно на пьезоэлектрическом и магнитострикционном эффектах. Схема пьезоэлектрического излучателя показана на рис. 6, магнитострикционного - на рис. 7.
Пьезоэлектрический акустический преобразователь
Рис. 6
Обозначениz:
1 - корпус;
2 - пьезокерамическая пластина;
3 - демпфер или присоединенная масса.
Магнитострикционный преобразователь для УЗ-ванн
Рис. 7
2) Преобразователи кинетической энергии струи газа или жидкости в энергию акустических колебаний - газоструйные, газодинамические, гидродинамические излучатели. Генерирование звука может происходить при периодическом прерывании струи (сирены), с генерацией автоколебаний в среде (генератор Гартмана, рис. 8), с возбуждением колебаний твердой излучающей системы, пластины или мембраны (свистки).
Генератор Гартмана
Рис. 8
Обозначения:
1 - сопло;
2 - резонатор;
3 - крепежная скоба;
4 - отсоединенный скачок уплотнения (возникает при торможении газовой струи резонатором, причем кинетическая энергия струи в резонаторе переходит в энергию сжатого газа; этот процесс становится периодическим).
Реализации эффекта
Для приведения излучателя в состояние колебательного движения к нему необходимо подвести энергию: электрическую - для электроакустических преобразователей, кинетическую энергию струи газа - для газодинамических и т.п. На рис. 5 показана общая схема реализации ИЗ безотносительно к конкретным механизмам излучателей и типам их колебаний и, соответственно, генерируемых звуковых полей.
Техническая реализация излучения звука
Рис. 5
Обозначения:
1 - источник энергии;
2 - преобразователь энергии источника в энергию акустических колебаний;
3 - контактный (согласующий) элемент;
4 - среда.
Литература
1. Ультразвук / Под ред. И.П. Голяминой.- М.: Советская Энциклопедия, 1979.
2. Чичинин И.С. Вибрационное излучение сейсмических волн.- М.: Недра, 1984.
3. Лепендин Л.Ф. Акустика.- М.: Высшая школа, 1978.
| Стартовая страница О системе Технические требования Синтез Обучающий модуль Справка по системе Контакты | |
 |
|
| Copyright © 2008 РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина | |