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, так что распространение звука вдоль участка происходит с ослаблением меньшим, чем в неограниченной однородной среде. Искусственные В. а.— обычно трубы, ограниченные звуконепроницаемыми стенками (напр., вентиляц. каналы, туннели). Естественные 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 образован слоистой неоднородностью среды в вертик. направлении (напр., подводный звук. канал в океане): волны, пересекающие слой, в к-ром скорость звука имеет мин. значение, под малыми углами, 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 может распространяться только вдоль одной прямой (оси трубы), звук в слое может также распространяться в виде цилиндрически расходящейся волны.

Любое звук. поле внутри В. а. может быть представлено в виде суперпозиции нормальных волн. В простейшем случае двухмерного распространения звука в однородном слое или в трубе прямоуг. сечения норм. волна представляет собой гармоническую волну, бегущую вдоль В. а. и стоячую в поперечном направлении. При данной частоте в В. а. (как и в радиоволноводе) может существовать бесконечный дискр. набор норм. волн, различающихся фазовой скоростью и числом узловых линий звук. поля в поперечном направлении: каждой норм. волне приписывают номер, равный числу этих узлов. Для каждой норм. волны i имеется своя частота, наз. критической wкр, к-рая растёт с увеличением номера волны. Ниже этой частоты норм. волна не распространяется, а превращается в синфазное колебание с амплитудой, меняющейся вдоль волновода по экспоненциальному закону. Исключение представляют В. а. с абсолютно жёсткими или упругими стенками: в них нулевая норм. волна, критич. частота к-рой wкр=0. может бежать при любой частоте.

При трёхмерном распространении звука в трубе также может существовать бесконечный дискр. набор норм. волн. Они отличаются от норм. волн при двухмерном распространении тем, что у них стоячая волна в поперечном сечении имеет не одно, а два семейства узловых линий. В трубе прямоуг. сечения узловые линии параллельны одной и другой паре противоположных стенок: в круглой трубе узловые линии — концентрич. окружности и диаметры. Каждая норм. волна при трёхмерном распространении получает двойной номер, указывающий числа узловых линий одного и другого семейства. Эти норм. волны также имеют свои критич. частоты, ниже к-рых, как и в двухмерном случае, распространение прекращается.

В В. а. любую гармонич. волну можно представить в виде суперпозиции норм. волн разных номеров той же частоты. При заданной частоте распространяется только конечное число норм. волн низших номеров. Поэтому структура распределения звук. поля поперёк волновода, соответствующая высоким номерам норм. волн, вдоль волновода не передаётся. Норм. волны характеризуются значит. дисперсией скорости. В В. а. фазовая скорость норм. волн нулевого 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. Исключение составляет нулевая норм. волна в В. а. с абсолютно жёсткими стенками; в этом случае — это обычная бездисперсная плоская волна, бегущая без изменений при любой форме профиля, как в неогранич. среде.

В искусств. В. а. со слоисто неоднородной средой и в естеств. В. а. также могут существовать бесконечные дискр. наборы норм. волн с аналогичными св-вами. Напр., при слоистой неоднородности среды, заполняющей волновод, стоячая волна в поперечном направлении уже не будет синусоидальной, но норм. волны по-прежнему можно нумеровать по числу узловых линий в поперечном сечении. Дисперс. св-ва естеств. В. а. обычно существенно отличаются от дисперс. св-в однородных волноводов.

Твёрдые В. а. обычно ограничены свободными границами (стержни, пластины). Норм. волны в твёрдых В. а. образованы либо только сдвиговыми волнами горизонт. поляризации, либо совместно распространяющимися продольными и сдвиговыми волнами вертик. поляризации, преобразующимися друг в друга при отражениях на границах. В УЗ технологии твёрдым В. а. наз. также всякое устройство (стержни, концентраторы) для передачи колебат. энергии на нек-рое расстояние от источника или для введения колебат. энергии в к.-л. среду.

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983.