Главная Общая акустика - создание упругих волн



ленной теории. Но такая «корректировка» требует отказа от чисто лучевой картины.

Точная теория показывает, что «откорректированное» поле вблизи каустик все же очень велико по сравнению с полем вне каустик. Таким образом, наличие фокусировки лучей указывает на область сильного повышения плотности энергии поля, хотя и не дает возможности его рассчитать лучевым методо.м.

В данной неоднородной среде положение каустик зависит от вида исходной волны. Для поля монополя это означает зависимость от местоположения монополя.

Лучевая картина точечного источника, как и лучевая картина рефракции плоской волны, не зависит от длины волны. Положение каустик также от длины волны не зависит, и, несмотря на то, что для вычисления поля вблизи каустик требуется применять волновую теорию, положение каустик можно найти, пользуясь только лучевой картиной.

Различные лучи могут иметь общую точку и не на каустике: возможна «случайная» встреча лучей, принадлежащих к разным конгруэнциям (см. рис. 91.4). В этом случае фокусировки звука не происходит и суммарное поле в точке пересечения находится по правилу суперпозиции. Для монохроматической волны в точках пересечения будет наблюдаться интерференционная картина, зависящая от соотношения фаз пришедших по разным лучам волн. В среднем для разных длин волн в точках пересечения будут складываться плотности энергии поля. Таким образом, для звука со сплошным спектром суммарная плотность энергии не будет зависеть от частотного спектра и будет определяться только лучевой картиной. Важное исключение - пересечение лучей с малой разностью хода, фазы которых в точке пересечения мало отличаются друг от друга. Такая ситуация встречается при распространении подводного звука при пересечении лучей, попадающих в некоторую точку прямо от источника и после отражения от свободной поверхности воды,

§ 92.; Монопольный приемник

Излучателю-монополю можно сопоставить приемник-монополь, реагирующий на падающую на него волну независимо от направления прихода волны. Такой «ненаправленный» приемник можно осуществить, например, пользуясь каким-либо пьезоэлектрическим кристаллом, реагирующим на всестороннее сжатие. Если кристалл очень мал по сравнению с длиной волны звука, то его можно считать находящимся в однородном поле давлений, так-что разность потенциалов, снимаемая с обкладок пьезокристалла, зависит только от амплитуды приходящего давления, но не от направления прихода волны. Поэтому приемник-монополь .можно назвать приемником давления. В стоячей волне он зарегистрирует давление в том месте, куда он помещен; максимальное пока-



зание будет в пучности, минимальное - в узле давления. В бегущей волне показания такого приемника одинаковы в любой точке.

При помощи приемника давления можно установить наличие и определить величину звукового поля давления, но нельзя установить направление на источник звука и даже выяснить, один ли источник создает давление в данной точке или несколько.

Л\онопольные излучатели и приемники оказываются в большинстве случаев тесно связанными по своей физической природе. Каждый линейный монополь-излучатель может работать в качестве монопольного приемника и обратно. Свойство линейности поясним на примере электроакустических излучателей и приемников. Линейный монополь-излучатель - это монополь, приводимый в действие электрическим генератором, причем на каждой данной частоте объемная скорость монополя пропорциональна приложенному напряжению. Линейный монополь-приемник - это люнополь, в котором возбуждаемое на клеммах электрическое напряжение пропорционально падающему на приемник звуковому давлению.

Оказывается; что линейные излучатели и приемники обратимы: если, например, на клеммы электромеханического приемника подать электрическое напряжение, то он начнет работать как излучатель, а если излучатель поместить в звуковое поле, отсоединив его от электрического генератора, то на его обкладках будет генерироваться электрическое напряжение. Эта обратимость - частный случай обратимости всякого линейного электромеханического (и не только электромеханического) устройства: так же ведут себя всякие электромоторы и электрогенераторы. По существу, излучатель можно рассматривать как электромотор, с той разницей, что он осуществляет не вращательное, а колебательное движение; приемник же можно рассматривать как электрогенератор переменного тока. Так же обратим и пьезоэлектрический приемник: при подаче на него переменного тока он, в результате обратного пьезоэлектрического эффекта, будет в такт с изменением напряжения изменять свой объем, т. е. работать как излучатель.

Свойство обратимости и далеко идущая аналогия в излучатель-ных свойствах и приемных свойствах одинаковых по своей схеме излучателей и приемников сохраняются и для более сложных типов этих устройств.

§ 93. Совместная работа нескольких монополей

Монополь создает в среде ненаправленное излучение: его звуковое поле сферически-симметрично - одинаково во всех направлениях. Часто требуется создать направленное излучение звука, различное по разным направлениям. Этого можно добиться, используя систему излучателей: совместную работу нескольких



монополей, разнесенных на некоторое расстояние друг от друга. В некоторых направлениях поля отдельных излучателей, складываясь, создадут большее поле, в других - вычитаясь - меньшее поле; в peзyльтafe и получится определенная угловая неравномерность - направленность излучаемого результируюш,его поля. Направленность излучения создается, таким образом, в результате интерференции полей отдельных излучателей. При произвольном расстоянии между излучателями определенную направленность можно получить вообще только для монохроматических излучателей с фиксированным соотношением между фазами, поскольку только тогда интерференционная картина не меняется с течением времени. Поэтому направленность систем будем рассматривать только для монохроматического звука. Можно показать, что вдали от источников звука любое направленное излучение можно представить как поле некоторого набора монополей. Поэтому в основе теории направленности излучения лежит задача о совместной работе нескольких монополей (в простейшем случае двух).

К задаче об одновременном действии двух монополей сводится также отыскание поля одного монополя при наличии в среде идеальной стенки. В § 41 мы видели, что поле монополя при наличии абсолютно жесткой стенки совпадает с полем в среде без стенки, создаваемым данным монополем и его синфазно работающим изображением. Аналогично поле монополя при наличии абсолютно мягкой стенки (например, подводный излучатель вблизи свободной поверхности воды) такое же, как поле в отсутствие стенки при одновременной работе данного монополя и его зеркального изображения, работающего в противофазе с данным монополем.

Нас будет интересовать поле нескольких одновременно работающих монополей. Мы будем считать, что поле, создаваемое каждым из них в отдельности, известно и что при совместном действии каждый излучатель работает так же, как и в одиночку.

Последняя фраза нуждается в уточнении. Что значит, что излучатели работают «так же»? Ведь условия работы изменились: по соседству появились другие излучатели. Значит ли это, что сохраняется энергия, излучаемая каждым монополем, или что сохраняется объемная скорость, или еще какая-либо величина? Такой вопрос возникает потому, что, как оказывается, нельзя сохранить одновременно неизменными все характеристики данного монополя при его совместной работе с другими монополями. Действие данного монополя зависит от действия соседних монополей: излучатели взаимодействуют между собой. Можно сохранить объемную скорость, но тогда изменится излучаемая мощность; можно сохранить мощность, но для этого придется изменить объемную скорость. Таким образом, самое понятие «неизменности действия» монополя при его совмесрной работе с другими излуча-



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 [99] 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163


0.113