Phasenkorrektur phononischer Wellenfronten

Phasenkorrektur phononischer Wellenfronten durch dreidimensionale Anordnung lateral anisotroper Schichten.

Eine optische Linse ist im allgemeinen aus einem homogenen Medium und hat eine Form die sie zur Phasenfront-Transformation eignet.

Die vorher angesprochene dielektrische Linse https://www.roboternetz.de/phpBB2/ze...=136673#136673 ist ein Objekt mit einer gezielten Verteilung des Dielektrikums. Ihre Form ist ein zweiter Parameter. Die Form könnte damit auch einem Block entsprechen, der eine plane Eintrittsebene und eine plane Austrittsebene hat. (Bild a)

Hier für Schall könnte der Block aber auch aus lauter Röhren bestehen, die jede eine bestimmt Laufzeit hat und damit die Phase von der Eintrittsebne auf die Austrittsebene transformiert. (Bild b)
Das kann durch die Dichte der Störungen gehen, durch verteilt aufgestellte Resonatoren, durch die Enge der Röhre? (auch eine Störung), und schließlich auch über die Länge der Röhre. (Bild c)

Bei einer Gleichverteilung der Laufzeiterhöhung wäre es dann immerhin noch die Form der Eintritts uns Austrittsebene die die Phasentransformation bewirkt. Zum Beispiel eine Linsenform von Verzögerungsröhren.

Bild hier  

Was aber wenn die Röhren nicht ausreichend verzögern?
Dann könnte man die Röhren innerhalb der Linse schräg zur Gesamt-Ausbreitungsrichtung anbringen und durch die Richtungsänderung die Welle in dieser Gesamtausbreitungsrichtung verzögern. Man hat dann damit neben der Laufzeitverschiebung auch eine Ortsverschiebung der Anteile.

Im nächsten Schritt ist dann eine Anordnung gesucht, die die Ortsverschiebung kompensiert und trotzdem die Röhren schräg angeordnet hat. Das ist die symmetrische Verschiebung in geknickten Röhren (Bild d). Die Linse kann auch sphärisch sein, nur dann sieht man die Röhren nicht so deutlich.

Ein Grundmaterial zum Aufbau eines solchen Systems könnte Wellpappe sein oder eine Fläche aus parallelen Strohhalmen (Bild e), auf alle Fälle eine „phononisch lateral anisotrope Schicht“.
Manfred

Die üblichen Linsen leben davon, daß ein Medium mit anderer Ausbreitungsgeschwindigkeit (der relevanten Welle) als die Umgebung
bei geeigneter Form eine "Brechung" an den Grenzflächen erzeugt.
Wale haben im Kopf z.B. einen geeignet geformten Hohlraum, der mit Fett(?) gefüllt so eine "Linse" bildet.
Wieweit das aber mit Röhren funktioniert, die ja mit dem selben Medium wie die Umgebung gefüllt sind ? Nur durch die "Umwege" ? Muß ich mal nachrechnen, was man (auch mit Berücksichtigung der damit verbundenen Dämpfung) erreichen könnte.
Beeinflussen Röhren durch die Form die Schallgeschwindigkeit ?



Edit: Der Titel erinnert mich an
"Das spezifische Volumen der subterranen Knollfrucht verhält sich indirekt proportional zum Intelligenzquotienten des Agronomen im Possesivstatus"

Hallo,

ich rate hier eigentlich auch nur noch (einerseits kann ich mir nicht vorstellen, daß uns Manfred hier aufs Glatteis führt, andererseits bekomme ich langsam Gehirnverknotung) ;)

Bei den Röhren habe ich aber noch ein anderes Verständnisproblem: wenn der Schall auch als Wellenfront auf den Eingang der "Röhrenplatte" trifft - spätestens am Ausgang müßte doch dann eigentlich jede einzelne Röhre wieder eine punktförmige Schallquelle darstellen? Kommt es damit nicht zu Interferenzen? Oder ist das gar beabsichtigt?

rätselnderweise,
Thomas

Das mit punktförmig is richtig, diese Intereferenz ist der Witz bei der "Brechung", das sagte schon der alte Huygens.
Die gleich-phasigen Zustände bauen dadurch wieder eine Wellenfront zusammen. Sind nun bei zwei so "Punkten" einer "hinten nach" , also andere Phase, marschiert die Wellenfront dann "schräg" weiter, also "gebrochen"
In den Physik-Büchern ist das meistens eher bei der "optischen Brechung" anschaulich dargestellt, oder eben allgemein bei der "Brechung von Wellen" , (Funktioniert ja auch bei "Wellen am Strand" so )

Hm - aber wenn ich dadurch eh schon ein Gitter habe, bei dem ich mit Interferenzen arbeiten kann (zB über variable "Maschenweite"), wozu brauche ich dann noch zusätzlich die Laufzeitbeeinflussung über die eigentlichen Röhren? Das macht die Sache doch nur um Potenzen komplexer und IMHO auch keineswegs einfacher lösbar.

Viele Grüße,
Thomas

Zitat:

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Zitat von PicNick

"Das spezifische Volumen der subterranen Knollfrucht verhält sich indirekt proportional zum Intelligenzquotienten des Agronomen im Possesivstatus"

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Das Auge ißt ja mit.

Zitat:

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Zitat von ThSteier

wieder eine punktförmige Schallquelle darstellen? Kommt es damit nicht zu Interferenzen? Oder ist das gar beabsichtigt?

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Wenn das Feld außerhalb der Röhren wieder als Ganzes auftritt, dann wirken die Interferenzen wieder.

Es sind zwei mögliche Effekte, die Verzögerung durch eine Enge der Röhre in Achsrichtung des Schalls. Wenn der Effekt wirksam genug ist kann er reichen. Wenn nicht, dann kann man immerhin mit der Umwegleitung eine merkliche Verzögerung erreichen. Den Winkel kann man ja stufenlos ab null wählen.

Bild hier  
Eine Veranschaulichung der zurückgelegten Wege in der Umwegleitung wollte ich auch noch einbringen.
Manfred

Nun, durch unterschiedliche Laufzeiten beeinflußt man natürlich die Phasenlage und damit die Abstrahlung am anderen Ende. Mach ich das "lateral anisotrop" kann z.B. eine Fokussierung erreicht werden.
Wenn ich Manfred richtig verstehe (was aber bei Weitem nicht gesagt ist) überlegt er, sozusagen mit gebündelten Rohren (Strohalmen, wellpappe) die Phasenlage gezielt in diesem Sinne zu ändern.

Tscha, zum prinzipiellen Messen der Differenz sollten ja mal zwei Röhren mit variablen Parametern l u. d reichen.

Zitat:

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Es geht um phononische Wellenfronten also um Ultraschallenergie die von einem Wandler in den Raum abgestrahlt wird aber meistens zu breit.
Mit einer Phasenkorrektur in der Wellenfront kann man ähnlich wie bei optischen Wellenfronten mit Linsensystemen die Energie lenken und bündeln.

Wirksame akustische Wellenfrontkorrekturen gibt es
mit phased Arrays, oft etwas aufwändig,
mit Spiegeln, da ist oft der Wandler im Weg oder es wird auch aufwändig, und
mit isotropen Medien mit gekrümmter Grenzfläche, die sind bisher meist wenig präzise.

Oder ein wenig benutzer Weg, mit anisotropen Medien darum soll es gehen.

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Richtig, darum geht es.

Messen oder suchen? Es gibt seit hunderten von Jahren Orgelpfeifen deren Tonhöhe druch die Geometrie bestimmt ist.
Manfred

Also das Gleichnis mußt du (zumindest mir) erklären

Es besteht die Frage, ob die Schallgeschwindigkeit in einer Röhre von dem Durchmesser der Röhre abhängt.

Bei einem Resonanzrohr (wie bei der Orgelpfeife) kann man die Schallgeschwindigkeit mit höchster Präzision messen. Es ist ja eine Anwendung des Phasenlaufzeitverfahrens.

Der Schall geht mit Ausbreitungsgeschwindigkeit durch die Röhre und die Frequenz ist bei einem Lambda-Viertel Rohr (einseitig geschlossen) gerade der Kehrwert der doppelten Laufzeit für die Rohrlänge.

Man könnte nun bei den Orgelbauern nachsehen (falls welche ihre Kenntnisse im Internet festhalten [-( :-s ), oder die Resonanzfrequenz von unterschiedlich dicken einseitig oder auch doppelseitig geschlossenen Rohren messen.
Manfred

Zitat:

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Zitat von Manf

Es besteht die Frage, ob die Schallgeschwindigkeit in einer Röhre von dem Durchmesser der Röhre abhängt.

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Also, geläufig ist mir das nicht. Aber wenn du einmal sowas in den Raum stellst, dann werd ich lieber erstmal nachsehen.

Natürlich entstehen in einem Rohr oder sonstwo durch die Kompression /Erwärmung amplitudenabhängige Schwankungen der Geschwindigkeit, bei Instrumenten wohl kaum messbar, bei hoher Leistung im Freien wird die Welle tatsächlich deformiert, aber nicht schneller.
Die Wandbeschaffenheit spielt dort mit, wo der Körper als solches selbst in Resonanz gerät.
Die Rohrweite und form (mensur) bei blasinstrumenten wirkt durch einen anderen Klang (elliptisch-Flügelhon "runder", kreisfürmig-Trompete "Heller")
Vielleicht werd' ich schlauer bei den "Hörner", da werden Halbtöne mit der Hand im Kessel erzeugt. Mal suchen, wie und wieweit das physikalisch funktioniert.
Immerhin kann ich ja auch nur mit der Lippenspannung die Tonhöhe variieren, aber wahrscheinlich hat die Steh-wellenbildung einfach nur ein gewisses Toleranzbereich.

Also ich muß da erstmal stöbern

Ich will Dich nicht auf eine falsche Spur bringen, aber wenn man beispielsweise (früher im Praktikum) mit 6 Bar in eine 100m Isolationsschlauchrolle pustet dann kommt der Druck am anderen Ende nicht nach 1/3 Sek an sondern baut sich langsam über 5 Sek auf.

Es gibt weitere weniger krasse Beispiele für eine Phasenverzögerung bei gedämpften Systemen. Wenn der Effekt wirklich nichts hergibt, dann kann man ja beruhigt auf die Umwegleitung übergehen.
Manfred

IMHO funktioniert das nicht.

Die Wellenlänge von Schall ist im Vergleich zu den Röhren nicht vernachlässigbar. Der Schall wird sich in den Röhren nicht linear fortpflanzen und bei Eintritt/Austritt hat man Beugungseffekte, die den 'Linseneffekt' zunichte machen.

Es gibt ein paar Effekte die nicht gleich überschauber sind. Sie sind vor allem aber auch ungefährlich und man kann versuchen sie zu berechnen oder sie zu messen.

Es geht erst mal um ein paar Strohhalme in Längsrichtung, Dicke oder Dünne, die den Schall nicht aufhalten können weil sie weit offen stehen.

Wenn sich der Schall nicht linear fortpflanzt, dann wie, das gilt es ja gerade herauszubekommen. Mit einm Bündel gleichlanger Strohhalme wird das sogar unmittelbar meßbar sein.
Beugungseffekte (vielleicht allgemein Interferenz) beim Zusammenwirken von Elementarstrahlern gibt es grundsätzlich. Schwingt beispielsweise eine starre Platte dann ergibt sich eine ebene Wellenfront.
Wenn die herauskäme wäre auch schon etwas gewonnen.
Bis jetzt hätten wir am Eingang eine Kugelwelle und am Ausgang schlimmstenfalls auch eine. (Dann könnte man sogar die Strohhalme weglassen. O:) )

Es wird aber mehr gehen als nichts.
Manfred

Hier ist zum Vergleich noch die Installation der akustischen Hohlspiegel, 2 auf jeder Seite, von Wolfgang Laubersheimer in Hannover an der Haltestelle Nieschlagstraße. Ich hatte sie immer mal wieder gesucht und nun doch noch gefunden.
Manfred

Bild hier  

Also, ich konnte nicht den geringsten Hinweis finden, daß durch Rohre irgendwie an der Schallgeschwindigkeit zu drehen wäre. Bei einem Trichter kommt der Schall ja auch nicht schneller raus, nur weil's enger wird.
Als Gedankenmodell hab ich dzt. ein Bündel dünner Rohre (a la Strohalme << lambda), das auf einer Seite (Schall) bestrahlt wird und wo ich überlege, wie ich die Phasenbeziehung auf der anderen Seite beeinflussen kann, am liebsten halt fokussierend.
Dazu brauch' ich lateral einen Vorlauf, bzw. zentral eine Bremse

Ich könnt' das Bündel vom Rand her beheizen, damit c im zentralen (kühleren) Bereich geringer ist ????
Ich könnt mit den Rohrlängen rumtricksen durch umwege ????
Doch andere Medien in den Rohren und Membran vorne/hinten (wenn's ein Gas ist ?

Was sagt der Fachmann ? (der lacht sich einen Ast)

Das ist ja gleich eine ganze Reihe von guten Ideen.
Die Temperatur, das Gas-Gemisch mit dem sich ein Laufzeitprofil erzeugen läßt, und die Umwege von vorher.

Man wird noch abschätzen müssen wie groß die Effekte sind beispielsweise auf Strohhalmlänge bei maximaler Strohhalmtemperatur, und wie es sich effizient umsetzen läßt.

Bei Effekten ähnlicher Größe kann man ja auch Kombinationen betrachten. Bei unterschiedlichem Aufand kann man das eine oder andere auch wieder zurücklassen aber es sieht ja gut aus.

Manfred

Schräg wär's auch, in einer Art Trommel ein Gas rotieren zu lassen und durch drehung + z-fugalkraft eine anisotropie zu erreichen
(a la Brennsuppe)

Wenn wir schon dabei sind:
Eine unterschiedliche Windgeschwindigkeit in den Röhren würde auch ein Phasenprofil erzuegen.
In der Umsetzung ist das etwas schwierig.

Wie ist es eigentlich mit der Phasenverschiebung die sich durch die Anregung der offenen Röhre als n*(lambda/2)-Resonator ergibt? In der Nähe der Resonanz hat man ja allgemein eine relativ große Phasensteilheit, die Güte wird hier nicht sehr groß sein, wenn der Schall auch noch gut durchgehen soll, aber der Effekt wird vorhanden sein.
Manfred

Den Schall durchzupusten hab ich auch überlegt. Technische Frage, wie du es sagst

Resonanz: Könnt man da einen radialen Verlauf erzielen ?

Die Phasenverschiebung der Resonanz gegenüber der Anregung könnte bei fester Anregungsfrequenz über die Länge der Röhren (ein Längenprofil) eingestellt werden.
Ich weiß nur nicht wie stark der Effekt ist (Güte des Halms als Resonator).
Manfred

Aus unerfindlichen Gründen sind Untersuchungen über Resonatoreigenschaften von Strohhalmen im Internet unterrepräsentiert.
Ich glaub aber nicht, daß das Material selbst eine große Rolle spielt.

Was ich beim Stöbern gefunden habe, ist die Wirkung von verschiedenen Dämmmaterialien mit verschieden geformten Oberflächen. Angeführt wurde dabei auch der "Helmholtzresonator", (guckst du oder weißt du),
http://professionalaudio.com/profess...ustic/helm.htm
der ist ja irgendwie auch ein stück Rohr mit resonanzraum dahinter.
Und da gibt's ein paar Formeln für die Resonanz /Querschnitt dazu

Bei der weiteren Suche im Netz bin ich noch auf diese Figur gestoßen:

Es handelt sich bei der Figur wohl um die Nachbildung einer Krippenfigur. Geschichtlich ist die Vorlage damit auf die Weihnachtszeit von vor 2005 Jahren zurückzuführen. Die dargestellte Person ist ein Engel in einfacher Dienstkleidung und einem eher ländlichen Motiv im Muster der Flügel.

Auffällig in der Darstellung ist in jedem Fall, dass die Figur ein metallisches Formteil mit sich führt und wie es scheint mit leichtem Erstaunen um den Mund und mit etwas fragendem Blick dem Betrachter entgegenhält. (In der Vergrößerung genauer zu erkennen)

Bild hier  

Das Formteil stellt die ebene Anordnung von 6 unterschiedlich langen Röhren dar, die eine lateral anisotrope Schicht bilden. Es kann sich dabei um ein Bauteil für eine Anordnung zur Korrektur des Phasengangs phononischer Wellenfronten handeln, was auch das Erstaunen der dargestellten Figur erklären würde.

Auch wenn ihre Quelle nicht weiter bestimmbar ist so deutet die Darstellung doch darauf hin, dass eine derartige Technik schon in der frühen Geschichte eingesetzt wurde. Es bleibt zu hoffen, dass sich aus der Form des Bauteils noch Erkenntnisse über die optimale Form ableiten lassen und im Umfeld weitere Hinweise auch auf den Einsatz zu finden sind.
Manfred

Die Tupfen auf den Flügeln sind doch logisch: das ist das Gitter für die Phononen.
Das Erstaunen kommt woanders her: mit 6 Pfeiferln kannst du nicht "Stille Nacht" spielen, höchstens "alle meine Entchen".

Hier ist noch ein Ansatz (Rod Arrays...) zur Fokussierung von Schall durch Streuung an einem Gitter mit unterschiedlicher Dichte.
Es entspricht etwa dem Ansatz ein Dielektrikum mit räumlich unterschiedlicher Dichte nachzubilden. https://www.roboternetz.de/phpBB2/ze...=136673#136673
Im Artikel geht es mehr um die Erstellung der Anordnung. Auch erst mal nur eindimensional.

Rod arrays focus sound
http://www.trnmag.com/Stories/2005/0...ef_022305.html

The flat acoustic lenses are made of irregularly spaced arrays of aluminum cylinders. The design was produced by a tool that combines multiple scattering theory and a genetic algorithm, and is optimized to concentrate sound waves at a focal point.

Bild hier  

Das müßte man nun auf Stohhalme umlegen.

Was ich etwas abweichend auch überlegt habe, wäre so eine Anordnung von Stäben passender Länge wie bei einer Yagi-Antenne (kennst du ? sicher doch )

Die Yagi antenne geht auch in Richtung Resonatoren. Aus dem Helmholtzresonator mit Dämpfung läßt sich (wenn überhaupt dann) auch gerade der Resonator verwenden.
Wie sieht ein Feld von Resonatoren aus, das die Phasenlage räumlich verändert aber nicht so sehr im Weg steht? Ich kann mir in dem Zusammenhang erst mal nur vorne und hinten offene Röhren vorstellen, aber wie ist deren Wirkung?
Manfred

Könnte man nicht im "normalen" Audiobereich mit Lautsprecher und MIkro und EINEM Rohr sich mal ansehen, was sich im Resonanzbereich tut ?
(NF ist leichterer handzuhaben, denk ich, locker regelbar über mehrere Oktaven etc. )

Weißt du wahrscheinlich eh' schon alles, aber ist bunt und hübsch
http://www.ipds.uni-kiel.de/Dokumente/ModulC/vok2.ppt
Da geht's zwar um die menschl. Sprechwerkzeuge, aber das sind ja eben auch Röhren
Aber vielleicht kriegst du eine Idee

(Eine Darstellung über akustische Resonatoren in PPT hat 10MB)
http://www-eep.physik.hu-berlin.de/~...ik/lecture.ppt

Die Definition der Variablen steht ab 4.3.1 "unendliche Zylinderrohre".

Es sieht so aus als wäre eher eine Lösung mit Umwegleitungen geeignet.