marta_inj (marta_inj) wrote,
marta_inj
marta_inj

Category:

Dan Russell - Волны-8 - Акустические поля, создаваемые простыми источниками звука

https://www.acs.psu.edu/drussell/Demos/rad2/mdq.html

Поле простого монополя
Монополь - это источник звука, от которого звук распространяется одинаково во всех направлениях. Самый простой пример монополя - сфера, радиус которой растет/уменьшается по синусоиде. Монополь создает звуковую волну, выталкивая молекулы в окружающую среду, и втягивая их обратно. Прямоугольный громкоговоритель на низких частотах работает как монополь. Диаграмма направленности монополя показан на рисунке.



На анимации показано поле давлений, создаваемое монополем. При распространении сферической волны отдельные точки сетки просто колеблются вперед-назад у некоего положения равновесия.

Волны диполя
Диполь состоит из двух монополей равной мощности, но противоположных по фазе, находящихся на небольшом расстоянии друг от друга (сравнимом с длиной волны). Когда один источник звука двигается наружу, другой втягивается. При этом жидкость (воздух) возле такого диполя ходит вперед-назад, создавая волны. Сфера, которая колеблется вперед-назад, работает как диполь, подобно непрямоугольному громкоговорителю (пока передняя часть отталкивает, задняя втягивает). Диполь распространяет звук в разных направлениях неодинаково. Диаграмма направленности похожа на восьмерку: есть две области, в которых звук распространяется хорошо, а в двух областях звука нет.



На анимации показано поле давлений диполя. В центре поля давлений видна область, где диполь, двигаясь вперед-назад, увлекает за собой жидкость (воздух). Области, куда звук не проникает - вдоль вертикальной оси (движение частиц практически нулевое). Кроме того, волновые фронты, распространяющиеся вправо и влево, отстают друг от друга по фазе на 180 градусов.

Волны поперечного квадрупольного излучателя
Если два монополя, колеблющихся в противоположных фазах, составляют диполь, то два противоположно колеблющихся диполя составляют квадруполь. В поперечном квадруполе два диполя двигаются вдоль перпендикулярных линий (четыре монополя с чередующимися фазами в углах квадрата). Диаграмма направленности поперечного квадрупольного излучателя похожа на лист клевера; звук есть перед каждым монополем, но в точках, равноудаленных от соседних монополей, звука нет.


На анимации показано поле давлений поперечного квадрупольного излучателя. В центре видно, как в квадруполе частицы двигаются в горизонтальном и вертикальном направлениях, вперед и назад. Области, где звук гасится – вдоль диагоналей (где движения частиц практически нулевое). Кроме того, фазы горизонтальных и вертикальных волновых фронтов различаются на 180 градусов.

Волны линейного квадрупольного излучателя
Если два противоположных по фазе диполя колеблются на одной линии, они являются линейным квадрупольным источником. Эталонный камертон – хороший пример линейного квадрупольного источника (каждый конец, вибрируя взад-вперед, является отдельным диполем, а два конца колеблются противоположно). Чем интересен линейный квадруполь? Очень резким переходом от ближнего поля к дальнему. В ближнем поле четыре максимума и четыре минимума, причем максимум вдоль оси квадруполя примерно на 5 дБ громче, чем максимум, перпендикулярный оси квадруполя. Ниже диаграмма направленности ближнего поля.



В дальнем поле всего два максимума (вдоль оси квадруполя) и два минимума (перпендикулярно оси квадруполя) как показано на рисунке.
На анимации показано поле давлений линейного квадруполя. В центре рисунка - ближнее поле квадруполя. При распространении волны вширь она становится почти сферической (заметим, что левый и правый волновые фронты совпадают по фазе, в отличие от дипольного источника), хотя амплитуда по вертикали сильно уменьшается.

https://www.acs.psu.edu/drussell/Demos/Bipole/Bipole-kd.html
Диаграмма направленности акустического дублета (биполя)

Два одинаковых простых источника (монополя), находящиеся на расстоянии 2d и совпадающие по фазе, составляют акустический дублет или биполь.

Диаграмма направленности распространяющегося звука зависит от угла Θ (между нужным направлением и плоскостью, образованной двумя источниками звука), расстояния между двумя источниками d и частоты, выражаемой обычно в виде волнового числа k. Безразмерная величина kd позволяет сопоставлять волновое число и расстояние между источниками. Если kd<<1, источники разделены расстоянием меньше длины волны (малый дублет или низкая частота), а сам источник похож на простой монополь с удвоенной мощностью. Когда kd>>1, источники находятся довольно далеко друг от друга, на расстоянии больше длины волны (большой дублет или высокая частота), и на диаграмме направленности будут большие дифракционные максимумы, или угловые направления, в которых звук будет хорошо распространяться.

На анимации показано, как диаграмма направленности (2D) меняется при изменении kd от 0 до 5π и обратно.

Tags: dan russell, Волны
Subscribe

  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic
  • 0 comments