Akustikwellenführung

Akustikwellenführung bezeichnet die gerichtete Ausbreitung von akustischen Wellen in Strukturen, die das Ausbreitungsfeld gegenüber einem unendlichen Medium stark einschränken. Übliche Träger sind Luftkanäle, Flüssigkeitsrohre, elastische Platten oder Membranen. In solchen Wellenleitern bilden sich charakteristische Moden aus, von denen nur bestimmte Frequenzen und Richtungen verlaufen. Die Konzepte ähneln denen in elektromagnetischen Leitungen, unterscheiden sich aber durch die zugrunde liegende Gleichung (die Akustik-Wellen equation) und die Randbedingungen.

In zylindrischen oder quaderförmigen Querschnitten ergeben sich diskrete Moden mit definierter Cut-off-Frequenz. Unterhalb dieser Frequenz kann eine Modenart nicht mehr getragen werden; bei längeren Leitern bestimmt die Frequenz, wie viele Moden propagieren. Die Phasen- und Gruppengeschwindigkeit variiert je nach Modus und Material. Dämpfung entsteht durch viskose Grenzschichten, thermische Effekte und materialbedingte Verluste; Geometrie und Oberflächenbeschaffenheit beeinflussen sie stark.

Anwendungen reichen von Schallübertragung in akustischen Leitungen und Lautsprecherkanälen über Schallisolierung bis hin zu Ultraschall- und Non-Destructive-Testing-Systemen. Fortschritte finden sich in akustischen Metamaterialien und Phononik-Kristallen, die subwavelength- oder gerichtete Führung ermöglichen oder ungewöhnliche Phasencharakteristika erzeugen. Material- und Strukturwahl ermöglichen maßgeschneiderte Impedanzanpassung und Lärmreduktion.

Messung und Analyse verwenden S-Parameter, Mikrofone oder Hydrophone, sowie zeitdomänenbasierte Methoden wie TDR, um Modenstruktur, Verluste und Endbedingungen zu charakterisieren.