Акустический Волновод

АКУСТИЧЕСКИЙ ВОЛНОВОД участок среды, в котором создаются путём его ограничения стенками или другими средами условия для преимущественного распространения акустических волн в определённом направлении. Распространение звука вдоль акустического волновода происходит с ослаблением меньшим, чем в неограниченной однородной среде. Искусственные акустические волноводы - это обычно трубы, ограниченные звуконепроницаемыми стенками (например, органные трубы, вентиляционные каналы, туннели). Естественные акустические волноводы - обычно слои среды (например, для низких частот звука океан представляет собой волновод в виде слоя воды, ограниченного с одной стороны грунтом, а с другой - свободной поверхностью воды). Акустический волновод может быть также образован слоистой неоднородностью среды (например, подводный звуковой канал в океане).

Единственный вид волн, распространяющихся в акустическом волноводе 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 нормальная волна) или экспоненциально затухающую (неоднородная нормальная волна) вдоль волновода, и синусоидальную стоячую волну в поперечном направлении. При данной частоте в акустическом волноводе может существовать бесконечный дискретный набор нормальных 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 акустическом волноводе характеризуется дополнительной дисперсией скорости звука. Фазовая скорость нормальных волн ненулевого номера всегда больше, а групповая скорость меньше, чем скорость звука с в неограниченной среде. С увеличением частоты первая убывает, а вторая растёт и обе стремятся асимптотически к с. Для каждой нормальной волны номера i имеется своя частота, называемая критической ωⁱ_κρ, тем большая, чем выше номер волны. Ниже этой частоты данная нормальная волна и все волны высших номеров не распространяются. В акустическом волноводе любую свободную гармоническую волну можно представить в виде суперпозиции нормальных волн разных номеров той же частоты. При заданной частоте распространяется только конечное число нормальных волн низших номеров.

Твердотельные акустические волноводы обычно ограничены свободными границами (стержни, пластины). Нормальные волны в таких акустических волноводах образованы как сдвиговыми волнами горизонтальной (параллельной границе раздела) поляризации, так и совместно распространяющимися продольными и сдвиговыми волнами вертикальной поляризации, преобразующимися друг в друга при отражениях на границах. В частности, в них возможны нормальные волны с комплексными волновыми числами. В ультразвуковой технологии твердотельными акустическими волноводами называются также всякие устройства типа звукопроводов (стержни, концентраторы), служащие для передачи колебательной энергии на некоторое расстояние от источника или для введения колебательной энергии в какую-либо среду.

Лит.: Ржевкин С. Н. Курс лекций по теории звука. М., 1960. Гл. 6; Физическая акустика / Под редакцией У. Мэзона. М., 1966. Т. 1. Ч. А; Бреховских Л.М. Волны в слоистых средах. 2-е изд. М., 1973; Исакович М.А. Общая акустика. М., 1973.