Одним из самых старых способов усиления звука является использование акустического гудка. Классическим примером является механический фонограф. ИзобретеноТомас Эдисонв 1870-х годах фонограф представлял собой систему из фольгированного деревянного цилиндра (позже из воска); игла; и рог, помещенный против фольги, или металлическая диафрагма.

С помощью фонографа вы можете сделать запись, просто заговорив в гудок, при этом вибрация заставляет иглу вытравливать канавки в фольге. Вы также можете прослушать запись, поместив иглу в начале канавки и повернув ручку машины. Когда игла движется вдоль рисунка канавки, вибрации усиливаются звуком. Эти возможности вдохновили акустических инженеров на усовершенствование конструкции, и вскоре цилиндры были заменены плоскими записывающими дисками, а более совершенные звуковые сигналы были использованы для улучшения усиления звука.

Рис. 1 – Томас Эдисон и ранний фонограф

В настоящее время акустический гудок является распространенным элементом, используемым в электродинамических громкоговорителях или для сигнализации на судах и поездах. Сначала громкоговорители не могли усиливать звук очень далеко. Однако после того, как электричество вошло в картину, громкоговорители могли передавать низкий уровень электроэнергии в высокий уровень звука, способного заполнять большие помещения. Вместо диафрагмы с механическим приводом в громкоговорителе с электроприводом используются электромагнитная подвижная катушка и диафрагма для создания звука, который усиливается через рупор. Эти высокоэффективные громкоговорители часто используются в системах оповещения в открытых парках или на спортивных стадионах, а также в системах громкой сигнализации. Для передачи сигналов с высокой амплитудой электромагнитный двигатель часто заменяется приводом сжатого воздуха.

Причина, по которой рог настолько эффективен, заключается в том, что его форма обеспечивает контролируемое увеличение поперечного сечения. Это приводит к так называемому согласованию импеданса между источником звука (громкоговоритель) и окружающим воздухом. Идея заключается в том, что акустический гудок может эффективно излучать звук в широком диапазоне частот. Эффективное излучение получается, когда давление находится в фазе со скоростью частицы, что требует большой поверхности на более низких частотах. Акустический гудок позволяет это; звук генерируется небольшим источником (в горле рога), но излучается большой поверхностью (устье рога). Согласованные по сопротивлению свойства рупора обеспечивают минимальное изменение фронта излучаемой волны (от горла до устья), поддерживая давление и скорость частиц в фазе. Простейшее одномерное описание акустики рога дается уравнением Рога Вебстера. Одним из распространенных типов рупорных драйверов является экспоненциальный рупор, который обладает хорошими возможностями согласования импедансов.

Когда акустические гудки приводятся в действие с очень высокими амплитудами - как это часто бывает для сигнализации (для судов или поездов) или в звуковых системах, используемых для концертных площадок - необходимо учитывать нелинейное поведение акустики. Из-за геометрии звукового сигнала высокие уровни звукового давления (УЗД) обычно расположены в горловине звукового сигнала. Нелинейное распространение присутствует при более низких амплитудах, но оно не проявляет своих эффектов, пока не будут достигнуты высокие амплитуды звука. Таким образом, важно учитывать нелинейные эфекты при использовании акустического рупора для передачи сигналов с высокой амплитудой.

Вы можете смоделировать распространение нелинейных акустических волн, генерируемых рупором, с помощью Acoustics Module , дополнения к COMSOL Multiphysics. Имитация позволяет увидеть, как форма входного сигнала в горле рожка влияет на форму сигнала на выходе в устье. В этом примере экспоненциального рупора модель настроена таким образом, что гармонический вход на горловине приводится в действие с частотой 0 = 130 Гц. Это создает акустическую волну с частотным спектром, содержащим гармоники 2 0 , 3 0 , 4 0 и т. Д. Сетка модели разрешается до четвертой гармоники 4 0, Нелинейное акустическое моделирование требует полного нелинейного анализа переходных процессов системы, поскольку модели в частотной области применяются только в линейном случае.

Рис 2.Схема модели акустического рупора.

Интерфейс « Акустика под давлением и переходный процесс» используется в этом примере для расчета переходного процесса акустического давления, в то время как модель диссипативного (теплопроводящего и вязкого) материала и условие домена Нелинейная акустика (Вестервельта) (последнее из которых доступно с версии). 5.4 программного обеспечения COMSOL®) имитируют нелинейное распространение акустики в физической области. Как показано ниже для двумерной осесимметричной модели, модель включает в себя граничное условие вычисления внешнего поля (также доступно с версии 5.4), которое вступает в действие при вычислении и визуализации диаграммы направленности (подробнее об этом позже), а также идеально согласованное слои (PML), которые используются вместе с без потерь Акустика переходного давления Модель узла для имитации открытого неотражающего состояния в направлении бесконечности.

Рис. 3 Настройка 2D осесимметричной модели.

Нелинейное переходное исследование состоит из двух этапов:

1. Зависящий от времени анализ
2. Время-частотное быстрое преобразование Фурье (БПФ)

Сначала в результатах, вы можете взглянуть на акустическое давление. График ниже сравнивает линейное (зеленое) и нелинейное (синее) поведение в точке прямо перед рогом. Красные линии соответствуют амплитуде, рассчитанной по модели частотной области. Из этого графика вы можете визуализировать общее нелинейное акустическое давление при высоких амплитудах.

Рис. 4 Cравнение линейного и нелинейного подходов для расчета акустического давления.

Далее вы можете проанализировать частотный состав сигналов. На изображении показано нестационарное вычисление акустического давления, увеличенное на 5 периодов. Из графика видно, что нелинейная модель содержит компоненты высших гармоник.

Рис.5 Акустическое давление как функция времени

Далее вы можете изучить внешнее поле. Функция расчета внешнего поля позволяет визуализировать диаграмму направленности акустического поля на любом заданном расстоянии от источника, что позволяет изучать SPL внешнего поля. Ниже слева находится нормализованное внешнее поле SPL, показывающее нелинейный анализ в сравнении с одночастотной областью. На рисунке справа вы можете увидеть нелинейный анализ переходных процессов, показывающий внешнее поле SPL на первых трех гармонических частотных компонентах. Последний график также показывает относительную амплитуду различных компонентов.

Рис. 5 Нормализованное внешнее поле SPL для нелинейного анализа в сравнении с одной частотной областью.

Рис. 6 Нелинейные эффекты в экспоненциальной модели рога.

Как показано в этом примере, функция нелинейной акустики (Westervelt) и граничное условие вычисления внешнего поля помогают учитывать и визуализировать нелинейное распространение и эффекты в симуляциях акустики, что позволяет инженерам улучшать конструкции акустики, требующие передачи сигналов с большей амплитудой.

1.Компания COMSOL [Электронный ресурс]. – Режим доступа: www.comsol.ru