Akustischer Wellenleiter

Ein akustischer Wellenleiter ist eine physikalische Struktur zur Führung von Schallwellen , d. h. ein Wellenleiter, der in der Akustik verwendet wird .

Ein Beispiel dafür ist ein Sprechrohr, das an Bord von Schiffen zur Kommunikation zwischen den Decks verwendet wird.

Weitere Beispiele sind der hintere Kanal in einem Lautsprechergehäuse mit Übertragungsleitung , der Gehörgang und ein Stethoskop . Der Begriff wird auch für geführte Wellen in Festkörpern verwendet.

Ein Schallkanal verhält sich ähnlich wie eine Übertragungsleitung (z. B. Klimaanlagenkanal, Autoauspuff usw.). ^{[ 1 ] [ 2 ]} Der Kanal enthält ein Medium , beispielsweise Luft , das die Schallausbreitung ermöglicht. Seine Länge beträgt typischerweise etwa ein Viertel der Wellenlänge des zu übertragenden Schalls, die Abmessungen seines Querschnitts sind jedoch kleiner. Der Schall wird an einem Ende des Kanals durch eine Druckänderung in Ausbreitungsrichtung eingeleitet. Dadurch entsteht ein Druckgradient, der sich senkrecht zum Querschnitt mit Schallgeschwindigkeit ausbreitet . Wenn die Welle das Ende der Übertragungsleitung erreicht, hängt ihr Verhalten von den dort vorhandenen Bedingungen ab. Es gibt drei allgemeine Szenarien:

Eine Last mit niedriger Impedanz (z. B. wenn das Ende in freier Luft offen ist) führt zu einer reflektierten Welle, bei der sich das Vorzeichen der Druckänderung umkehrt, die Richtung der Druckwelle jedoch gleich bleibt.

Eine Last, deren charakteristische Impedanz (siehe unten) übereinstimmt, absorbiert die Welle und die damit verbundene Energie vollständig. Es findet keine Reflexion statt.

Eine hohe Impedanz (z. B. durch Verschließen des Leitungsendes) führt zu einer reflektierten Welle, bei der die Richtung der Druckwelle umgekehrt wird, das Vorzeichen des Drucks jedoch gleich bleibt.

Da sich eine Übertragungsleitung wie ein Vierpolmodell verhält, lässt sich die Impedanz einer Übertragungsleitungskomponente nicht exakt definieren oder messen. Man kann jedoch ihre Eingangs- oder Ausgangsimpedanz messen . Diese hängt vom Querschnitt und der Länge der Leitung, der Schallfrequenz sowie der charakteristischen Impedanz des schallausbreitenden Mediums im Kanal ab. Nur im Ausnahmefall eines geschlossenen Rohrs (vergleichbar mit einem elektrischen Kurzschluss) kann die Eingangsimpedanz als Komponentenimpedanz betrachtet werden.

Wenn eine Übertragungsleitung endlicher Länge an beiden Enden nicht angepasst ist, kann eine Welle so lange hin und her reflektiert werden, bis sie absorbiert wird. Dieses Phänomen ist eine Art Resonanz und führt tendenziell zu einer Dämpfung des in die Leitung eingespeisten Signals.

Wenn dieser Resonanzeffekt mit einer Art aktivem Rückkopplungsmechanismus und einer Leistungszufuhr kombiniert wird, ist es möglich, eine Schwingung zu erzeugen , die zur Erzeugung periodischer akustischer Signale wie Musiktöne (z. B. in einer Orgelpfeife) genutzt werden kann.

Die Anwendung der Übertragungsleitungstheorie findet in der Akustik jedoch selten Verwendung . Stattdessen wird ein äquivalentes Vierpunktmodell verwendet, das die stromabwärts und stromaufwärts gerichteten Wellen trennt. Dies vereinfacht die Einbeziehung physikalisch messbarer akustischer Eigenschaften wie Reflexionskoeffizienten , Materialkonstanten des Isoliermaterials , des Einflusses der Luftgeschwindigkeit auf die Wellenlänge (Mach-Zahl) usw. Dieser Ansatz umgeht zudem unpraktische theoretische Konzepte, beispielsweise die akustische Impedanz eines Rohrs, die aufgrund ihrer Wechselwirkung mit der Schallquelle und der Last des akustischen Bauteils nicht messbar ist.

• Akustische Übertragungsleitung – eine Technologie, die in einigen Lautsprechern verwendet wird und auf den Prinzipien eines akustischen Wellenleiters basiert.

• Morse, PM, Vibration and sound, McGraw Hill, 1948, NYC, NY.
• Pierce, AD, Akustik: Eine Einführung in ihre physikalischen Prinzipien und Anwendungen, McGraw Hill, 1981, NYC, NY.