← Tilbage til forsiden

Akustisk Lydudbredelse i Rør med Flow

En genskabelse af den tabte udledning: Relativistisk transformation af bølgeligningen til beregning af Transmission Loss i absorptionsbeklædte rør, inspireret af M.L. Munjal.

Teoretisk Genskabelse

Dette afsnit rekapitulerer matematikken bag at konvertere et komplekst konvektivt akustisk problem til et simplere stationært problem ved hjælp af en transformation kendt fra den specielle relativitetsteori.

1. Den Konvektive Bølgeligning

Vi betragter et ensartet rør beklædt med et lydabsorberende materiale. I røret strømmer en gas (f.eks. udstødningsgas) med en konstant middelhastighed $V$. Lydens hastighed i gassen er $c$. Vi definerer Mach-tallet som $M = V/c$.

Lydtrykket $p(x,t)$ i én dimension, forudsat et jævnt flow, styres af den konvektive bølgeligning:

$$ \frac{1}{c^2}\frac{\partial^2 p}{\partial t^2} - (1-M^2)\frac{\partial^2 p}{\partial x^2} + \frac{2M}{c}\frac{\partial^2 p}{\partial x \partial t} = 0 $$

Krydsleddet $\frac{\partial^2 p}{\partial x \partial t}$ opstår på grund af flowet og komplicerer tilføjelsen af dæmpningsleddet direkte, da løsningerne bliver asymmetriske.

2. Lorentz-Transformationen

Krydsleddet kan fjernes på to måder. Den fysisk mest direkte er at skifte til et referencesystem, der bevæger sig med flowet (en Galilei-transformation $x'' = x - Vt$, $t'' = t$). Her står gassen stille, og ligningen bliver straks den almindelige bølgeligning – men så bevæger rørets vægge sig. Vil man beholde væggene i ro, findes en transformation med samme matematiske form som Lorentz-transformationen, hvor lysets fart er erstattet af lydens. Vi introducerer "Lorentz-faktoren" for akustik:

$$ \gamma = \frac{1}{\sqrt{1-M^2}} $$

De transformerede koordinater $(x', t')$ defineres som:

$$ x' = \gamma\, x \quad \text{og} \quad t' = \frac{t}{\gamma} + \gamma\,\frac{M x}{c} $$

Ligesom i relativitetsteorien blandes sted og tid: tiden forskydes med et led, der afhænger af stedet. Ved indsættelse i den konvektive ligning via kædereglen forsvinder krydsleddet, og Mach-tallet er helt væk fra ligningen. Vi står tilbage med den simple d'Alembert-bølgeligning:

$$ \frac{\partial^2 p}{\partial x'^2} - \frac{1}{c^2}\frac{\partial^2 p}{\partial t'^2} = 0 $$

3. Dæmpning og Invers Transformation

Dæmpningen regnes her som en egenskab ved selve gassen, sådan som Munjal behandler de viskøse og termiske tab: en bølge, der har tilbagelagt strækningen $s$ gennem gassen, er dæmpet med faktoren $e^{-\alpha_0 s}$. Derfor regner man lettest i gassens eget hvilesystem (Galilei-transformationen ovenfor). Her gælder for en svagt dæmpet bølge, der løber i positiv retning, dispersionsrelationen

$$ \omega'' = c\,(k'' + i\alpha_0) $$

Tilbage i laboratoriet er bølgetallet det samme, $k = k''$, mens frekvensen Doppler-forskydes: $\omega = \omega'' + kV$. Indsat giver det

$$ \omega - kV = c\,(k + i\alpha_0) \quad\Rightarrow\quad k = \frac{\omega/c - i\alpha_0}{1 + M} $$

Realdelen viser, at bølgen løber med farten $c + V$. For en bølge mod strømmen skifter $M$ fortegn. Dæmpningen er minus den imaginære del af bølgetallet:

$$ \alpha_{flow}^{\pm} = \frac{\alpha_0}{1 \pm M} $$

Hvor "$+$" angiver medstrøms (downstream) lydudbredelse, og "$-$" angiver modstrøms (upstream). $\alpha_0$ er dæmpningen uden flow. Bølgen dæmpes lige meget pr. tid i gassen; medstrøms tilbagelægger den blot længere strækning pr. sekund og dæmpes derfor mindre pr. meter rør. For en lydabsorberende beklædning, der står stille i røret, ændrer flowet også randbetingelsen ved væggen, så formlen er dér en første tilnærmelse.

Transmission Loss (TL)

Den samlede lyddæmpning, Transmission Loss, over en rørlængde $L$ udregnes herefter i decibel (dB) ved relationen $20 \log_{10}(e) \approx 8.686$:

$$ \text{TL} = 8.686 \cdot \frac{\alpha_0(f)}{1 \pm M} \cdot L \quad \text{[dB]} $$

Interaktiv TL Beregner

Brug denne model til at se, hvordan resultatet fra den matematiske udledning opfører sig i praksis. Visualiseringen antager medstrøms/modstrøms udbredelse og en basisabsorption $\alpha_0 = a\sqrt{f}$, der vokser med kvadratroden af frekvensen.

0.00 M
Modstrøms (-0.8) Stille (0) Medstrøms (+0.8)
2.0 m
0.05

Frekvensspektrum

💡

Fysisk Konsekvens

Når $M = 0$, er mediet i hvile. Dæmpningen påvirkes udelukkende af rørets længde og beklædningens egenskaber.