Υπολογιστική μελέτη απόκρισης συντονιστών σωλήνα σε διέγερση Ν-παλμού από πηγή ήχου πλάσματος λέιζερ

Κάντε κλικ εδώ για να κατεβάσετε αυτό το έγγραφο

Δημήτρης Κούγιας, Κωνσταντίνος Καλέρης, Νεκτάριος Παπαδογιάννης, Ιωάννης Μουρτζόπουλος

Σκοπός αυτής της εργασίας είναι η υπολογιστική μελέτη της απόκρισης συντονιστών γεωμετρίας σωλήνα λ/4 και λ/2 σε ακουστική διέγερση από πηγή ήχου πλάσματος λέιζερ. Οι ακουστικοί συντονιστές τύπου λ/4 και λ/2 αποτελούν απλές διατάξεις γεωμετρίας σωλήνα με 2 κλειστά ή 1 κλειστό και ένα ανοιχτό άκρο, αντίστοιχα. Η λειτουργία τους βασίζεται στη δημιουργία στάσιμων κυμάτων στο εσωτερικό των σωλήνων λόγω της διαφοράς στην ακουστική εμπέδηση μεταξύ του αέρα εντός του σωλήνα και του περιβάλλοντος. Βρίσκουν αρκετές εφαρμογές στην ακουστική με χαρακτηριστικότερα παραδείγματα τη χρήση τους ως αποσβεστήρες / σιγαστήρες σε συστήματα ρευστών, όπως καυσαερίων μηχανών εσωτερικής καύσης , καθώς και τα πνευστά μουσικά όργανα, πχ. κλαρινέτο (λ/4), φλάουτο (λ/2). Στην παρούσα εργασία διερευνάται υπολογιστικά η αξιοποίηση των ακουστικών συντονιστών τύπου σωλήνα ως φίλτρων για την φασματική διαμόρφωση της ακουστικής εκπομπής πηγών ήχου πλάσματος λέιζερ (ΠΗΠΛ). Οι ΠΗΠΛ είναι είναι άυλες, σημειακές και ευρυζωνικές πηγές ήχου που παράγονται από την θερμομηχανική απόκριση του αέρα στη ραγδαία τοπική εναπόθεση οπτικής ενέργειας παλμών λέιζερ. Οι ΠΗΠΛ παράγουν γρήγορους παλμούς τύπου Ν (Ν-παλμούς) με διάρκειες της τάξης των μικροδευτερολέπτων και υψηπερατό φασματικό προφίλ 1ης τάξης σε όλη την έκταση του ακουστού φάσματος. Η γεωμετρία των ΠΗΠΛ μπορεί να είναι είτε σημειακή / σφαιρική είτε επιμήκης / κυλινδρική, ανάλογα με την ενέργεια του παλμού λέιζερ και τον τρόπο εστίασης του. Συγκεκριμένα οι σφαιρικές ΠΗΠΛ, οι οποίες προκύπτουν από ισχυρή εστίαση ισχυρών παλμών λέιζερ, έχουν παντοκατευθυντική ακουστική εκπομπή σε όλο το συχνοτικό εύρος, ενώ εμφανίζουν μεγάλη επαναληψιμότητα από παλμό σε παλμό. Οι ιδιότητες αυτές αποτελούν πλεονέκτημα για την αξιοποίηση των ΠΗΠΛ σε σχέση με τις παραδοσιακές ηχητικές πηγές σε εφαρμογές όπως είναι οι ακουστικές μετρήσεις, η αναπαραγωγή σύνθετων ηχητικών σημάτων και ο μη παρεμβατικός ακουστικός χαρακτηρισμός υλικών και δομών κ.α. Η δυνατότητα διέγερσης ακουστικών στοιχείων στο εσωτερικό τους χωρίς παρέμβαση στην δομή τους μέσω ΠΗΠΛ αξιοποιείται εδώ για τη μελέτη της ακουστικής συμπεριφοράς των συντονιστών λ/4 και λ/2 σε εσωτερική διέγερση . Οι υπολογισμοί πραγματοποιήθηκαν με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων (Finite Elements Method - FEM). Για την μείωση της ταχύτητας υπολογισμού, αναπτύχθηκαν μοντέλα δύο διαστάσεων με κυλινδρική συμμετρία, η οποία περιγράφει με ικανοποιητική ακρίβεια την γεωμετρία του προβλήματος. Τα τοιχώματα των συντονιστών μοντελοποιήθηκαν ως ακλόνητες δομές μηδενικού πάχους, ενώ για την αποφυγή των ανακλάσεων στα όρια του μοντελοποιημένου χώρου έγινε χρήση τέλεια προσαρμοσμένων στρωμάτων (Αγγλικά: Perfectly Matched Layers - PML), δηλαδή δομών με πλήρως απορροφητικά χαρακτηριστικά. Η επίλυση έγινε στο πεδίο συχνοτήτων. Αρχικά προσομοιώθηκε η ακουστική απόκριση συντονιστή Helmholtz σε διέγερση σημειακής παντοκατευθυντικής πηγής ήχου ομοιόμορφου φάσματος, το οποίο χρησιμοποιήθηκε ως μοντέλο επαλήθευσης της μεθόδου. Στη συνέχεια πραγματοποιήθηκαν προσομοιώσεις ακουστικής απόκρισης συντονιστών τύπου σωλήνα λ/4 και λ/2 διαφόρων διαστάσεων, με σημειακή παντοκατευθυντική διέγερση ομοιόμορφου φάσματος. Τέλος, εκτελέστηκε σειρά προσομοιώσεων για όλες τις γεωμετρίες των συντονιστών με σημειακή παντοκατευθυντική πηγή που προσομοιάζει την ακουστική απόκριση των ΠΗΠΛ εντός του φάσματος ακουστικών συχνοτήτων. Η πηγή τοποθετήθηκε για κάθε συντονιστή σε δύο θέσεις: α. Εξωτερικά, στο κέντρο του χείλους του στομίου β. Εσωτερικά, στο κέντρο της κοιλότητας για τον συντονιστή Helmholtz και στα 2/3 του μήκους του σωλήνα για τους συντονιστές λ/4 και λ/2 Οι σημειακοί δέκτες για την λήψη αποτελεσμάτων τοποθετήθηκαν σε απόσταση 70 cm από το χείλος του στομίου και σε τρεις γωνίες (0, 45, 90). Όπως αναμενόταν, οι συντονιστές λ/4 εμφανίζουν έντονους συντονισμούς στη θεμελιώδη συχνότητα και τις περιττές αρμονικές τους, αλλά και έντονες ακυρώσεις σε γειτονικές συχνότητες των ενισχύσεων. Οι συντονιστές λ/2 παρουσιάζουν ενισχύσεις στη θεμελιώδη συχνότητα συντονισμού και τις περιττές και άρτιες αρμονικές, χωρίς όμως να εμφανίζουν έντονες ακυρώσεις. Τα μοτίβα της απόκρισης των ακουστικών στοιχείων μεταβάλλονται σημαντικά με αλλαγή της θέσης της πηγής, όπως επίσης διαφοροποιούνται και τα δεδομένα με τη γωνία τοποθέτησης του δέκτη μέτρησης. Αντίστοιχα αποτελέσματα προκύπτουν από τις προσομοιώσεις με ακουστική διέγερση ΠΗΠΛ, με τη διαφορά ότι το ακουστικό φάσμα αποκτά προφίλ υψηπερατού φίλτρου 1ης τάξης, λόγω της χαρακτηριστικής απόκρισης των ΠΗΠΛ. Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων αποδεικνύουν την καταλληλότητα των ΠΗΠΛ για τη μελέτη συστημάτων ακουστικών συντονιστών με διέγερση εσωτερικά της δομής, η οποία μπορεί να προκύψει εύκολα από την αντιστροφή του φασματικού προφίλ του Ν-παλμού. Αντίστοιχα, αποδεικνύεται ότι οι συντονιστές Helmholtz και τύπου σωλήνα μπορούν να χρησιμοποιηθούν αποτελεσματικά ως ακουστικά φίλτρα για τη διαμόρφωση του φάσματος των ΠΗΠΛ. Τα υπολογιστικά αποτελέσματα επιβεβαιώνονται από προκαταρκτικές πειραματικές μετρήσεις με μεγάλη ακρίβεια.