книги из ГПНТБ / Константинов, Б. П. Гидродинамическое звукообразование и распространение звука в ограниченной среде
.pdfА
?rpA
ш
rV&öi'- к*;• ""Я;
&аШі
сШ'Ні
Е^ЛГ
.ггС^д*. i •$£>'•■*.
;’<52v':^
Sf-*: ’;
\м-
I' .;'
г, Г
А К А Д Е М И Я Н А У К СССР
А К У С Т И Ч Е С К И Й И Н С Т И Т У Т
Б. П. КОНСТАНТИНОВ
Гидродинамическое
звукообразование
и распространение звука в граниченной среде
У Д К 5 3 4 . 1 4 -1 4 : 532 .5 1 7
Гидродинамическое звукообразование и распространение звука в ограниченной среде. К о н с т а н т и н о в Б. П. Изд. «Наука»,
Ленингр. отд., Л., 1974, 1—144.
Гидродинамическое звукообразование представляет большой ин терес в связи с проблемами шумности мощных аэродинамических машин (компрессоров, реактивных двигателей и т. д.). Излагае мые исследования относятся к фундаментальным вопросам в этой области. Изложена теория автоколебаний язычка духового музы кального инструмента, которая является основой для всех при кладных исследований по духовым инструментам и исследования
поглощения |
звука, вызванного оттоком тепла на границах. |
Библ. — 61 |
назв., рис. — 57, табл. — 5. |
О т в е т с т в е н н ы й р е д а к т о р :
д-р физ.-мат. наук А. В. Р И М С К И Й - К О Р С А К О В
© Издательство «Наука» 1974
От редактора
Публикуемые в настоящей монографии работы Бориса Павловича Константинова из области физической акустики относятся к раннему периоду его деятельности в Акустической лаборатории Электрофизического инсти тута и в Научно-исследовательском институте музыкаль ной промышленности (1930—1940 гг.), в Ленинграде. Этот период совпал со становлением советской техничес кой физики и, в частности, акустики. Борис Павлович был в числе первых талантливейших работников, поло живших начало развитию этой области науки в СССР.
Гидродинамическое звукообразование приобрело на современном этапе особое значение в связи с проблемами шумности мощных аэродинамических машин (компрессо ров, пропеллеров, реактивных двигателей и т. п.).
Исследования Бориса Павловича (хотя они и прове дены уже достаточно давно) относятся к фундаментальным вопросам в этой области, и специалисты-акустики, заня тые акустико-аэродинамическими исследованиями по ко лебаниям струйных течений, почерпнут много полезного в этой монографии. Отметим также, что в монографии впервые систематически изложена теория автоколебаний язычка духового музыкального инструмента, которая была создана Борисом Павловичем и является основой для всех прикладных исследований по духовым инстру ментам.
Физику-акустику, имеющему дело с теоретическими задачами о распространении и поглощении звука, будет весьма интересно познакомиться со второй частью моно
графин, относящейся к поглощению звука, вызванному оттоком тепла на границах.
Представляется, что эта монография войдет в основной фонд лучших книг по физической акустике и будет по лезной широкому кругу научных работников, преподава телей высшей школы и аспирантов, специализирующихся в этой области науки.
При редактировании рукописи мы старались сохранить ее текст без изменений. В редких случаях сделаны при мечания, связанные с более поздними исследованиями, относящимися к кругу рассматриваемых в монографии вопросов.
Г Л А В А I
Г и д р о д и н а м и ч е с к о е к лапанное з в у к о о б р а з о в а н и е
§ 1,1. Типы гидродинамических звукообразователей
Гидродинамическое звукообразование — это яв ление перехода потенциальной или кинетической энергии стационарного течения жидкости или газа в энергию колебательного движения.
Наиболее простым по способу действия гидродинами ческим звукообразователем является сирена, устройство которой общеизвестно. В сирене газ из баллона, в котором поддерживается высокое давление, .вытекает в открытое пространство через систему отверстий, периодически зак рываемых и открываемых. Объем вытекающего газа яв ляется периодической функцией времени, и сирена пред ставляет с акустической стороны источник с заданной производительностью. Высота звука определяется числом оборотов ротора сирены.
Аналогичным образом происходит генерация звука во многих духовых музыкальных инструментах, в уст ройствах для звуковой воздушной и подводной сигнали зации, а также в голосовом аппарате человека и многих животных. Во всех этих случаях звук получается вслед ствие вытекания среды через отверстие, открываемое и закрываемое клапаном.
Если оставить в стороне сирену, в которой модуляция сечения отверстия задается принудительно, то во всех клапанных преобразователях имеются две стороны явле ния образования звука. Одна сторона — это возникнове ние и поддержание незатухающих колебаний клапана, другая — соотношение между колебаниями клапана и воз никающим звуком.
5
Отличным от клапанного процесса является процесс образования звука при вытекании струи через отверстие постоянного, неменяющегося сечения, т. е. при отсутст вии какого-либо клапана. Если в клапанных преобразо вателях возникновение колебаний связано с неустойчи востью упругих границ стационарного течения жидкости, то во втором случае возникновение колебаний обуслов лено неустойчивостью самого стационарного течения; ог раничивающие течение упругие и твердые тела не при нимают участия в колебаниях (или по крайней мере их соколебания несущественны).
Неустойчивость стационарного ламинарного течения среды особенно ярко проявляется в турбулизации в тру бах и каналах. При критерии Рейнольдса ^ 1100 лами нарное течение, если не принять специальные меры, са мопроизвольно переходит в турбулентное, сопровождаю щееся пульсациями давления и скорости по длине и поперечному сечению трубы. На слух переход к турбу лентному режиму сопровождается возникновением шума с широким спектром, содержащим составляющие до 104 гц и выше, из-за чего он носит шипящий и свистящий ха рактер.
Неустойчивость границы воды при ветре ведет к об разованию волн и возникновению инфразвуковых коле баний, распространяющихся по воздуху далеко за пределы области, непосредственно охваченной волнением (так на зываемый «голос моря»).*
Возникновение колебаний по второму типу имеет место в различных гудках и свистках, в лабиальной органной трубе, флейте, в аэродинамических трубах, в свистке Гальтона, свистке Гартмана и при насвистывании. При обтекании твердых тел потоком жидкости у поверхности тел также происходит турбулизация потока, сопровожда емая турбулентными шумами.
Таким образом, гидродинамическое звукообразование происходит в основном по двум причинам: 1) вследствие неустойчивости состояния покоя упругих границ течения
* В предельном случае бесконечной волнующейся поверхности моря благодаря тому, что длина поверхностных волн существенно меньше длины волны в воздушной среде, волнение должно вызывать только неоднородные волны, не уходящие от поверхности моря. Слабое излучение в принципе возможно из-за «краевых эффектов» — наличия границ области волнения. {Прим. ред.).
6