بررسی شرایط لازم برای انتشار موج تخت در موجبرهای آکوستیکی در محیط هوا و آب
پذیرفته شده برای ارائه شفاهی
کد مقاله : 1085-ISAV2025 (R1)
نویسندگان
دانشگاه صنعتی اصفهان
چکیده
در صوتشناسی، اندازهگیری خواص آکوستیکی مواد اعم از ضریب جذب یا بازتاب صوت اهمیت دارد. لوله امپدانس به عنوان روش استاندارد شده برای اندازهگیری خواص آکوستیک مواد، متشکل از یک موجبر استوانهای، یک منبع صوت و تعدادی حسگر است. برای اندازهگیری دقیق و محاسبه کمیتهای آکوستیکی در این تجهیز، لازم است موج آکوستیکی تولید شده توسط منبع صوت، به صورت موج تخت درون موجبر منتشر شود. در استانداردها، ابعاد اجزای موجبر شامل قطر لوله، محل حسگرها و محل نمونه، به نحوی طراحی شده است که انتشار موج تخت در آن تضمین شود. با توجه به عدم وجود استاندارد برای لوله امپدانس در محیط آب و نزدیکتر بودن امپدانس آکوستیکی آب و دیواره موجبر (که معمولا از جنس آلومینیوم یا استیل میباشد) نسبت به محیط هوا، نیاز است که انتشار موج تخت درون موجبر پر شده از آب مورد بررسی قرار گیرد. در این مقاله به شبیهسازی عددی انتشار موج درون لوله امپدانس پر شده از آب و بررسی شکل مودهای لوله، به روش اجزای محدود پرداخته شده است. در ابتدا یک مدل برای موجبر آکوستیکی در نرمافزار کامسول تبیین و معیار قضاوت تخت بودن موج تعیین شده است. سپس، دو نمونه لوله امپدانس در محیط هوا و سه نمونه در محیط آب شبیهسازی و انتشار موج تخت در آنها بررسی شده است. همچنین مودهایی که در آنها موج از حالت تخت خارج شده گزارش و شکل مودهای آنها نمایش داده شدهاند. در نهایت موجبری با ابعاد بهینه و بازه فرکانسی عریضتر نسبت به پژوهشهای پیشین پیشنهاد شده است. علاوه بر آن انتشار موج تخت در موجبر پیشنهادی در سه حالت بررسی شده است.
کلیدواژه ها
Title
Investigation of the conditions required for plane wave propagation in acoustic waveguides in air and water
Authors
Ali Reza Khakpour, Ali Loghmani
Abstract
In acoustics, measuring the acoustic properties of materials—such as the sound absorption or reflection coefficient—is of great importance. The impedance tube, as a standardized method for measuring the acoustic properties of materials, consists of a cylindrical waveguide, a sound source, and several sensors. For accurate measurement and calculation of acoustic quantities in this apparatus, it is necessary that the acoustic wave generated by the sound source propagate as a plane wave inside the waveguide.
In the standards, the dimensions of the waveguide components—including the tube diameter, the locations of the sensors, and the position of the sample—are designed in such a way that plane wave propagation is ensured. However, due to the absence of a standard for impedance tubes in water environments, and because the acoustic impedance of water is closer to that of the waveguide wall material (usually aluminum or steel) than in air, it is necessary to investigate the conditions for plane wave propagation inside a water-filled waveguide.
In this paper, numerical simulations of wave propagation inside a water-filled impedance tube and the mode shapes of the tube are performed using the finite element method (FEM). First, a model for the acoustic waveguide is developed in COMSOL Multiphysics, and a criterion for evaluating the planarity of the wave is defined. Then, two impedance tube models in air and three in water are simulated, and the plane wave propagation in each is analyzed. The modes in which the wave deviates from planarity are identified, and their mode shapes are presented.
Finally, a waveguide with optimized dimensions and a wider frequency range compared to previous studies is proposed. Additionally, plane wave propagation in the proposed waveguide is examined under three different conditions.
In the standards, the dimensions of the waveguide components—including the tube diameter, the locations of the sensors, and the position of the sample—are designed in such a way that plane wave propagation is ensured. However, due to the absence of a standard for impedance tubes in water environments, and because the acoustic impedance of water is closer to that of the waveguide wall material (usually aluminum or steel) than in air, it is necessary to investigate the conditions for plane wave propagation inside a water-filled waveguide.
In this paper, numerical simulations of wave propagation inside a water-filled impedance tube and the mode shapes of the tube are performed using the finite element method (FEM). First, a model for the acoustic waveguide is developed in COMSOL Multiphysics, and a criterion for evaluating the planarity of the wave is defined. Then, two impedance tube models in air and three in water are simulated, and the plane wave propagation in each is analyzed. The modes in which the wave deviates from planarity are identified, and their mode shapes are presented.
Finally, a waveguide with optimized dimensions and a wider frequency range compared to previous studies is proposed. Additionally, plane wave propagation in the proposed waveguide is examined under three different conditions.
Keywords
Underwater Acoustics, waveguide, Impedance tube, plane wave, finite element simulation