волновод акустический

ВОЛНОВОД АКУСТИЧЕСКИЙ - участок среды, ограниченный в одном или двух направлениях стенками или др. средами, в результате чего устраняется или уменьшается расхождение волн в стороны, поэтому распространение звука вдоль участка происходит с ослаблением меньшим, чем в неогранич. однородной среде. Искусств. В. а.- обычно трубы, ограниченные звуконепроницаемыми стенками (напр., органные трубы, вентиляц. каналы, туннели). Естеств. В. а.- обычно слои среды: напр., для низких частот звука океан представляет собой волновод в виде слоя воды, ограниченного с одной стороны грунтом, а с другой - свободной поверхностью воды. В. а. может быть также образован вертик. слоистой неоднородностью среды (напр., 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.

Единств. вид волн, распространяющихся в В. а. 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 В. а. 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 В. а. 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 В. а. с абсолютно жёсткими или упругими стенками: эта волна может бежать при любой частоте, т. к. её . В В. а. 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.

В В. а. 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. В. а. обычно существенно отличаются от дисперсионных свойств однородных волноводов.

Твердотельные В. а. обычно ограничены свободными границами (стержни, пластины). Нормальные волны в таких В. а. образованы как сдвиговыми волнами горизонтальной (параллельной границе раздела) поляризации, так и совместно распространяющимися продольными и сдвиговыми волнами вертик. поляризации, преобразующимися друг в друга при отражениях на границах. Набор таких нормальных волн богаче, чем в жидких В. а. В частности, в них возможны нормальные волны с комплексными волновыми числами. В УЗ-технологии твердотельными В. а. наз. также всякие устройства (стержни, концентраторы) для передачи колебат. энергии на нек-рое расстояние от источника или для введения колебат. энергии в к--л. среду.

Лит.: Бреховских Л. M., Волны в слоистых средах, 2 изд., M., 1973; Ржевкин С. H., Курс лекций по теории звука, M., 1960, гл. 6; Физическая акустика, под ред. У. Мэзона, пер. с англ., т. 1, ч. A, M., 1966; Исакович M. А., Общая акустика, M., 1973. M. А. Исакович.

   <<      Предметный указатель      >>