Исследование возбуждения упругих волн в акустическом волноводе

  • Андрей [Andrey] Анатольевич [A.] Кальщиков [Kal’shchikov]
Ключевые слова: акустический волновод, модовый состав, упругие волны, электроакустика

Аннотация

Большое внимание уделяется акустическим колебаниям, распространяющимся в плоскослоистых структурах, которые являются акустическими волноводами. В качестве примера подобных задач электроакустики могут выступать незаметная (с точки зрения радиоразведки) передача данных, скрытая прослушка, обеспечение связи с потерпевшими при спасательных операциях на затонувших подводных лодках или горных завалах. Рассмотрена задача возбуждения упругих волн в прямоугольном акустическом волноводе. Приведены результаты расчета акустических полей, основанного на суперпозиции распространяющихся волновых мод. Поскольку акустические волны могут быть как поперечными, так и продольными, то решение задачи распространения упругих волн является более сложной, чем решение тех же проблем в электромагнитной области. Однако большое сходство уравнений, описывающих физические явления, позволяет применить к акустическим задачам решения из электродинамической области. Акустический волновод в виде упругой пластины аналогичен электродинамической системе в виде волновода с металлическими стенками. Имеет место подобие граничных условий для идеального проводника и свободной поверхности упругого тела. В обоих случаях волны за границы волновода не проникают. Следствием является характерный закон дисперсии для волн, у которых вектор смещения или напряженности поля ориентирован вдоль поверхности раздела. Построена математическая модель, описывающая акустические поля, проведено численное моделирование в пакете «MultyPhys» фирмы «Comsol». Для проверки результатов численного моделирования и теоретического расчета выполнены экспериментальные исследования с использованием разработанного программно-аппаратного комплекса. Распределения акустических полей на поверхности волновода измеряют с помощью электроакустического преобразователя, который подключается через звуковую карту к персональному компьютеру. Поскольку работа проходит на частотах звукового диапазона, это позволяет использовать возможности звуковой карты для оцифровки сигнала, выделения полезных параметров и дальнейшей обработки без лишних финансовых затрат.

Сведения об авторе

Андрей [Andrey] Анатольевич [A.] Кальщиков [Kal’shchikov]

Место работы

кафедра Основ радиотехники НИУ «МЭИ»

Должность

аспирант

Литература

1. Белокопытов Г.В. Волны в направляющих структурах. М.: МГУ им. М.В. Ломоносова, 2010.

2. Зибров В.А., Зиброва Н.М. Акустический канал передачи информации в водопроводных сетях с разными диаметрами труб // Электротехника, радиотехника, телекоммуникации и электротехника: Тез. конф. Ростов-на-Дону: ДГТУ, 2014.

3. Мелешко В.В., Папков С.О. Изгибные колебания упругих прямоугольных пластин со свободными краями // Акустический вестник. 2009. № 4. Т. 4. С. 34—51.

4. Коссович Е.Л. Явные модели распространения изгибных краевых волн в тонких полубесконечных ортропных пластинах // Известия Саратовского ун-та. 2013. Т. 13. Вып. 1. С. 64—69.

5. Алексеев В.В., Индейцев Д.А., Мочалова Ю.А. Колебания упругой пластины, контактирующей со свободной поверхностью тяжелой жидкости // ЖТФ. 2002. № 5. Т. 72. С. 16—21.

6. Вайнштейн Л.А. Электромагнитные волны. М.: Радио и связь, 1988.

7. Hongchen M., Qiang H., Faxin L. Excitation and Reception of Pure Shear Horizontal Waves by Usin Fase- shear d24 Mode Piezoelectric Wafers // Smart Materials and Structures. 2016. V. 25. No. 11. Pp. 1—13.

8. Seung H.M., Park C.I., Kim Y.Y. An Omnidirectional Shear-horizontal Guided Wave EMAT for a Metallic Plate // Ultrasonics. 2016. V. 69. Pp. 58—66.

9. Auld B.A. Acoustic Fields and Waves in Solids. N.-Y.: John&Sons Inc., 1973.

10. Delrue S., Aleshin V., Matar O. 2D modeling of Elastic Wave Propagation in Solids Containing Closed Crack With Friction // Proc. Comsol Conf. Munich, 2016.
---
Для цитирования: Кальщиков А.А. Исследование возбуждения упругих волн в акустическом волноводе // Вестник МЭИ. 2018. № 2. С. 129—134. DOI: 10.24160/1993-6982-2018-2-129-134.
#
1. Belokopytov G.V. Volny v Napravlyayushchikh Strukturakh. M.: MGU im. M.V. Lomonosova, 2010. (in Russian).

2. Zibrov V.A., Zibrova N.M. Akusticheskiy Kanal Peredachi Informatsii v Vodoprovodnykh Setyakh s Raznymi Diametrami Trub. Elektrotekhnika, Radiotekhnika, Telekommunikatsii i Elektrotekhnika: Tez. Konf. Rostov-na-Donu: DGTU, 2014. (in Russian).

3. MeleshkoV.V., PapkovS.O. Izgibnye Kolebaniya Uprugikh Pryamougol'nykh Plastin so Svobodnymi Krayami. Akusticheskiy Vestnik. 2009;4;4:34—51. (in Russian).

4. Kossovich E.L. Yavnye Modeli Rasprostraneniya Izgibnykh Kraevykh Voln v Tonkikh Polubeskonechnykh Ortropnykh Plastinakh. Izvestiya Saratovskogo Un-Ta. 2013;13;1:64—69. (in Russian).

5. AlekseevV.V., IndeytsevD.A., MochalovaYu.A. Kolebaniya Uprugoy Plastiny, Kontaktiruyushchey so Svobodnoy Poverkhnost'yu Tyazheloy Zhidkosti. ZHTF. 2002;5;72:16—21. (in Russian).

6. Vaynshteyn L.A. Elektromagnitnye Volny. M.: Radio i Svyaz', 1988. (in Russian).

7. Hongchen M., Qiang H., Faxin L. Excitation and Reception of Pure Shear Horizontal Waves by Usin Fase- shear d24 Mode Piezoelectric Wafers. Smart Materials and Structures. 2016;25;11:1—13.

8. Seung H.M., Park C.I., Kim Y.Y. An Omnidirectional Shear-horizontal Guided Wave EMAT for a Metallic Plate. Ultrasonics. 2016;69:58—66.

9. Auld B.A. Acoustic Fields and Waves in Solids. N.-Y.: John&Sons Inc., 1973.

10. Delrue S., Aleshin V., Matar O. 2D Modeling of Elastic Wave Propagation in Solids Containing Closed Crack With Friction. Proc. Comsol Conf. Munich, 2016.
---
For citation: Kal’shchikov A. A. Investigating the Excitation of Elastic Waves in an Acoustic Waveguide. MPEI Vestnik. 2018;2:129—134. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2018-2-129-134.
Опубликован
2019-02-05
Раздел
Радиотехника и связь (05.12.00)