聲學特性以及仿真可視化

2021-02-15 聲學號角

聲波在流體中(比如空氣/水中)表現為疏密波(縱波),在固體中表現為橫波和縱波。

通用的,對波的描述可以參考下面的圖示:其中A代表幅值,λ代表波長,一個周期時間T0的倒數f0代表波的頻率。

聲音在介質中的傳播速度c0=λ/T0,和介質的幅度/波長/頻率無關,主要取決於介質本身的特性。

聲波在自由空氣中的傳播,以及遇到障礙物的情況

聲波在封閉管道的末端反射

聲波在封閉管道的末端反射和衍射

聲波在管徑變化時的反射和傳播特性

點聲源聲傳播隨距離的衰減特性

兩個點聲源發出的脈衝聲波波陣面接觸。僅在重疊區域混合幹擾,但還是可以按相互獨立再疊加計算。

下圖代表平面波在平面邊界,以及弧度邊界的反射。波峰顯示為橙色,波谷顯示為藍色。

射線垂直于波前,並從壁上鏡面反射。局部鏡面反射會導致光線以不同角度反射。

聲波在經過凹面邊界的反射和匯聚。

長波(頻率低)和短波(頻率高)撞擊具有小尺度粗糙度的表面。在表面相同的情況下,對短波的影響更大。即結構尺寸和波長相近時,會對聲音傳播造成影響。

進行折射理論分析的惠更斯原理,對波動都適用。

波從頂部往底部傳播過程中的衍射,低頻聲音波長更長,衍射效應更明顯。

自由場中主動降噪的聲場仿真。要找到傳播路徑中的關鍵點,比如在下圖中的紅點放置一個和衍射波反相的聲源,左側的聲音衰減非常多。

基於惠更斯原理進行波衍射的分析

單極子聲源和偶極子聲源。在低頻段,音箱接近單極子聲源,揚聲器單體接近偶極子聲源。

偶極子聲源相當於兩個反相的單極子聲源疊加。

留聲機—>號角

號角和點聲源聲場對比,簡單理解可以認為號角將能量集中了。

聲場是具有互易性的,對比下圖中A—>B和B—>A的響應是一樣的。微小的差別只是數值計算誤差。

音箱外殼的目的是防止前後聲短路

障板也可以在一定程度上防止聲短路

超音速流動的尖嘴模型飛機產生的衝擊波——實測

仿真可以看到由於飛機運動速度比波前運動速度更快,局部產生了激波,從而使氣動阻力劇增,出現「聲障」。

如果空氣中的水分含量足夠,當飛機速度快超過聲速時,可以肉眼直接看到衝擊波的形成。

不同尺寸活塞聲源,與波長λ比例關係,以及聲場的分布情況

在薄膜某個局部敲擊,其波動傳播的過程。

揚聲器的簡化模型,驅動力-彈簧-振動質量-膜片面積輻射聲波

赫姆霍茲共鳴腔。可以等效為一個彈簧+管口聲質量,當然還包括壁面粘滯摩擦損失造成的阻尼。

開口音箱就是赫姆霍茲共鳴腔一個很好的應用,可以有效提升音箱的低頻響應。

另一個常見的應用就是利用赫姆霍茲共鳴腔來進行吸聲,這是一部分聲學超構材料的基本原理

湍流噪聲

衛星雲圖

不同風速下的湍流

空氣分子被來回擠壓,空氣密度形成疏密變化,發出聲波

吹口哨

膜片振動的模態

模態分析在揚聲器設計優化中的作用

膜片在高頻的振動還是非常複雜的

小提琴振動

小提琴發出1415 Hz的聲音時,琴體本身振動和空氣中的聲壓分布

人頭在聲場中對聲場分布的改變:220Hz,600Hz,1400Hz

多人在房間的時候對聲場分布的影響,這塊的研究目前還不夠多。

聲學還是有不少好玩的東西值得研究的。

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