Электромеханические аналогии

Электромеханические аналогии представляют собой метод описания механических и акустических систем с использованием понятий и формул, заимствованных из электрических цепей. Это позволяет применять хорошо развитые методы анализа линейных электрических цепей к акустическим системам. Особенно полезна такая аналогия для анализа сложных систем звукоизлучения, звукопоглощения и резонансных явлений, включая моделирование резонаторов, трансмиссионных линий и вибрационных структур.


Существуют две основные формы электромеханических аналогий:

  1. Аналогия силы-напряжения (аналогия импедансов)
  2. Аналогия силы-тока (аналогия мобилий)

Аналогия силы-напряжения

В этой аналогии механическая сила приравнивается к электрическому напряжению, а скорость – к электрическому току. Это позволяет формально отождествить механическую импедансную систему с электрической:

Механическая величина Электрическая аналогия
Сила F Напряжение U
Скорость v Ток I
Масса m Индуктивность L
Жесткость 1/C Емкость C
Механическое трение R Сопротивление R

Аналогия силы-тока

Здесь механическая сила аналогична электрическому току, а скорость – напряжению. Тогда:

Механическая величина Электрическая аналогия
Сила F Ток I
Скорость v Напряжение U
Масса m Емкость C
Жесткость 1/C Индуктивность L
Трение R Проводимость 1/R

Обе аналогии применимы, выбор зависит от предпочтений исследователя и специфики задачи. Однако первая чаще используется, поскольку сохраняет аналогию импедансов, что удобно для анализа резонансных явлений.


Применение аналогий к акустическим системам

Акустика как наука об упругих колебаниях в средах также допускает использование электромеханических аналогий. Для этого вводятся акустические аналоги электрических величин.

Основные соответствия в акустике

Акустическая величина Электрическая аналогия (импедансная)
Акустическое давление p Напряжение U
Объёмная скорость q Ток I
Акустическое сопротивление Z Электрическое сопротивление R
Механическая податливость Ёмкость C
Массивный элемент (инерция) Индуктивность L

Акустическое сопротивление определяется как:

$$ Z = \frac{p}{q} $$

где p — звуковое давление, а q — объёмная скорость.

Объёмная скорость — это аналог тока:

q = S ⋅ v

где S — площадь поперечного сечения, v — средняя скорость частиц среды.


Механические элементы и их электрические аналоги

Масса

Массу можно представить как элемент, накапливающий кинетическую энергию, подобно катушке индуктивности в электрической цепи:

$$ F = m \cdot \frac{dv}{dt} \quad \Leftrightarrow \quad U = L \cdot \frac{dI}{dt} $$

Импеданс массы:

Zm = jωm

Пружина

Пружинный элемент аккумулирует потенциальную энергию, аналогично электрическому конденсатору:

$$ F = \frac{1}{C} \cdot x \quad \Rightarrow \quad Z_c = \frac{1}{j \omega C} $$

где x — смещение, C — механическая податливость.

Демпфирующий элемент

Механическое трение или демпфирующая сила аналогичны резистору:

F = R ⋅ v  ⇒  ZR = R


Пример: Мембрана в акустическом волноводе

Допустим, в трубке установлена мембрана. С точки зрения аналогии:

  • Масса мембраны индуктивность
  • Эластичность мембраны ёмкость
  • Потери в материале сопротивление

Тогда вся система может быть представлена в виде последовательного или параллельного колебательного контура, что позволяет рассчитать её резонансные свойства, затухание и фазовые сдвиги.


Электроакустические преобразователи

Принцип работы многих электроакустических устройств, таких как громкоговорители и микрофоны, напрямую базируется на электромеханических аналогиях.

Динамический громкоговоритель

  • Электрический сигнал возбуждает ток в катушке.
  • Взаимодействие тока с магнитным полем создаёт силу, действующую на мембрану.
  • Мембрана, в свою очередь, возбуждает акустическое поле.

В эквивалентной схеме:

  • Электрическая часть: сопротивление, индуктивность катушки.
  • Механическая часть: масса мембраны, её податливость, трение.
  • Акустическая часть: импеданс воздуха.

Эти части связаны трансформатором, моделирующим электромеханическую связь.


Акустические цепи и резонансные схемы

Рассмотрим акустический резонатор, например, резонатор Гельмгольца:

  • Объём воздуха в горлышке действует как масса (индуктивность).
  • Объём внутри камеры — как ёмкость (податливость).
  • Потери на стенках — сопротивление.

Его импеданс аналогичен последовательному RLC-контру:

$$ Z = R + j\omega L - \frac{1}{j\omega C} $$

Анализ такой схемы позволяет определить частоту резонанса, добротность, ширину полосы пропускания и поведение в различных режимах возбуждения.


Выгоды и ограничения метода

Преимущества:

  • Облегчение расчётов сложных акустических систем.
  • Возможность использования средств анализа электрических цепей (в том числе численных методов, SPICE-моделирования).
  • Единообразный подход к гетерогенным системам (электроакустика, виброакустика и др.).

Ограничения:

  • Применимость ограничена линейными системами.
  • Взаимодействие между различными типами волн (например, продольных и поперечных) часто не учитывается явно.
  • Невозможно напрямую моделировать нелинейные или сильно диссипативные процессы.

Электромеханические аналогии являются мощным инструментом для физиков и инженеров-акустиков, позволяя анализировать, синтезировать и оптимизировать сложные звуковые системы в различных приложениях — от архитектурной акустики до проектирования аудиоустройств.