Акустика движущихся сред

Содержание

1. Введение

2. Акустика движущихся сред

2.1 Основные положения акустики движущихся сред

2.2 Краткая история акустики движущихся сред

2.3 Ученые, которые повлияли на развитие акустики движущихся сред

2.4 Применение акустики движущихся сред

3.Эффект Доплера

3.1 Основные положения эффект Доплера

3.2 Доплер Христиан

3.3 Применение эффекта Доплера

4.Заключение

5. Список использованной литературы

1.Введение

«Движение и звук» подразумевает движение среды, приёмников звука, источника звуковых колебаний, либо границы, либо их вариации. Так как обычно не требуется рассмотрение перемещений среды, источника либо границы, то разобьем их рассмотрение на разделы. Рассмотрим движение среды или источников и приёмников звука отдельно под названием «Акустика движущихся сред», а перемещение приёмника, источника, границы отдельно под названием «Эффект Доплера».

Акустика движущихся сред - раздел акустики, в котором изучаются звуковые явления при движении среды или источников и приёмников звука.

Акустика движущихся сред касается очень многих разделов акустики, таких как аэроакустика, акустические течения, аэродинамика, гидролокация и аэролокация, а также частично эффект Доплера.

Эффект Доплера — зависимость наблюдаемой частоты периодического колебания от любого изменения расстояния между источником колебаний и наблюдателем.

В 1842 Доплер теоретически обосновал зависимость частоты колебаний, воспринимаемых наблюдателем, от скорости и направления движения источника волн и наблюдателя относительно друг друга. Это явление впоследствии было названо его именем (эффект Доплера). Так как о его биографии известно очень мало, историю изобретения эффект Доплера опустим. Стоит отметить, что на развития данного направления никто так сильно не повлиял как Доплер, поэтому биографию остальных учёных опустим.

2. Акустика движущихся сред

2.1. Основные положения акустики движущихся сред

Движение среды влияет на характер распространения звуковых волн, их излучение и приём. В движущейся среде скорость распространения волнового фронта равна v=c+vn , где с - скорость звука в неподвижной среде, vn - проекция скорости движения среды на нормаль к фронту. В простейшем случае движения среды как целого волновые фронты точечного источника представляют собой расширяющиеся со скоростью звука сферы, центры которых перемещаются со скоростью среды. При регулярном течения среды возникает акустическое течение.

Акустические Течения(акустический, или звуковой, ветер) — регулярные течения среды, возникающие в интенсивном звуковом поле. Акустические течения возникают как в свободном неоднородном звуковом поле, так и вблизи различного рода препятствий. Акустические течения всегда имеют вихревой характер, их скорость возрастает с увеличением интенсивности звука, но обычно не превосходит величины колебательной скорости частиц в звуковой волне. Одно из первых описаний акустические течения дано Рэлеем, заметившим, что если перед резонатором Гельмгольца поместить звучащий камертон, то у противоположного конца резонатора можно обнаружить ветер значительной силы, способный задуть пламя свечи.

Причина возникновения акустического течения обусловлена законом сохранения количества движения и обычно заключается в том, что переносимое звуковой волной количество движения, связанное с колебаниями частиц среды, при поглощении волны передаётся среде, вызывая её регулярное движение. Поэтому скорость акустического течения пропорциональна коэффициента поглощения звука и его интенсивности[10].

Диаграмма направленности неподвижного направленного источника в движущейся с дозвуковой скоростью среде вытягивается в направлении, противоположном движению. При движении среды со сверхзвуковой скоростью звук распространяется внутри т. н. Маха конуса - конуса с вершиной в источнике звука. Вне этого конуса звук отсутствует, а внутри него через любую фиксированную точку наблюдения проходят два волновых фронта.

В соответствии с этим наблюдатель, расположенный внутри конуса Маха, слышит звук, приходящий с двух разл. направлений. При движении источника в неподвижной среде к эффектам, указанным выше, добавляется Доплера эффект. Пространственно-неоднородные течения в среде вызывают рефракцию звука. Так, напр., в приземном слое атмосферы скорость ветра возрастает с высотой, поэтому при распространении звука против ветра звуковые лучи изгибаются вверх, а при распространении по ветру - вниз. Этим объясняется лучшая слышимость для стоящего на земле наблюдателя с наветренной стороны и худшая - с подветренной по сравнению со слышимостью в безветрие. Турбулентное движение среды вызывает рассеяние проходящих через неё звуковых волн на неоднородностях скорости и флуктуации их амплитуд и фаз[12].

При взаимодействии с вихревыми течениями, образующимися при отрывном обтекании твёрдых тел, звук может поглощаться или усиливаться. Например: струя, вытекающая из отверстия в перегородке, эффективно поглощает звук. Струя, обдувающая отверстие по касательной, при определенных соотношениях между скоростью струи, размерами отверстия и частотой звука может усиливать звук. Этим объясняется, в частности, процесс генерации звука в духовых музыкальных инструментах типа флейты. Усиление звука возможно и в свободном пространстве - при отражении от границы между покоящейся средой и средой, движущейся со сверхзвуковой скоростью (например, от границы сверхзвуковой струи).

Нестационарные течения среды вызывают генерацию звука. Периодичный срыв вихрей за плохо обтекаемым телом порождает вихревой звук. При натекании струи на препятствие может возникнуть т. н. клиновый тон, это явление используется в газоструйных излучателях. Интенсивный звук генерируется высокоскоростными турбулентными течениями. Напр., интенсивность звука ,порождаемого реактивной струёй стартовой ступени ракеты, достигает 150 дБ на расстоянии 100 м. Прикладные проблемы акустического движения среды, связанные с аэродинамичной генерацией звука в высокоскоростных потоках, составляют предмет аэроакустики.

Аэроакустика - раздел физики, находящийся на стыке аэродинамики и акустики, в котором изучаются проблемы аэродинамичные генерации звука, акустики движущихся газовых потоков, взаимодействия звука с потоком и методы снижения аэрошумов. А в основном имеет дело со звуком, создаваемым аэродинамичними силами и возмущениями, которые возникают в самом потоке, а не приложенными извне силами или колебаниями, как в классической акустике.

Основные уравнения акустического движения среды получают посредством линеаризации общих уравнений гидродинамики. При исследовании процессов распространения и рассеяния звука нелинейные компоненты уравнений отбрасываются, а при исследовании процессов генерации звука они рассматриваются в качестве источников звука. Параметры этих источников при современном состоянии теории турбулентности, как правило, не могут быть найдены теоретически, поэтому для оценок интенсивности и спектрального состава звука используют различные модели турбулентного движения[13,15].

2.2 Краткая история акустики движущихся сред

В науке сформировалось новое самостоятельное направление, получавшее название аэроакустики. Зародившаяся на стыке двух наук — аэродинамики и классической акустики, она связана с проблемами акустики движущейся газовой среды, с вопросами аэродинамической генерации звука, подход к которым в трудах классиков естествознания — Гельмгольца, Кирхгофа и Рэлея — был только помечен.

Развитие Акустика в 1-й половине 20 в. получило мощный импульс в связи с запросами военной техники. Задача определения положения и скорости самолёта (звуковая локация в воздухе), подводной лодки (гидролокация), определение места, времени и характера взрыва, глушение шумов самолёта - все эти проблемы требовали более глубокого изучения механизма образования и поглощения звука, распространения звуковых (в частности, ультразвуковых) волн в сложных условиях. Проблемы генерации звука стали предметом обширных исследований и в связи с развитием общей теории колебаний, охватывающей воедино механические, электрические и электромеханические колебательные процессы. В 20-х и 30-х гг. много работ было посвящено теории автоколебаний - самоподдерживающихся колебаний системы, связанной с постоянным источником энергии; большой вклад в разработку этой теории внесла советская школа физиков, возглавлявшаяся Л. И. Мандельштамом и Н. Д. Папалекси [2,11].

Возросшее внимание к этим вопросам, помимо внутренней логики развития науки, обусловлено потребностью в создании необходимой научной основы решения важной для здоровья всех людей проблемы — борьбы с шумом. Беспрецедентное развитие транспорта в последние десятилетия, и в первую очередь авиации с ее мощными силовыми установками, сопровождается постоянным ростом зашумленности окружающей среды, особенно в городах и районах, прилегающих к аэропортам. Проблема снижения шума сейчас стала частью общечеловеческой программы борьбы за чистоту окружающей среды.

Разработка практических методов снижения шум» в авиации потребовала тщательного наущения аэродинамической генерации звука и распространения аэрошумов. На этом пути были достигнуты значительные успехи, которые отражены в большом числе научных публикаций. Часть результатов изложена к ряде обзоров и монографий, например: М. Е. Goldstein, «Aeroacoustics» (New York, 1976); Мунин А. Г., Кузнецов В. М., Леонтьев К. Л., «Аэродинамические источники шума» (Москва, «Машиностроение», 1981) [1].

Впервые теоретические вопросы образования звука при движении потоков жидкости были рассмотрены Дж Рэлеем (1877) Однако практичное применение. А получила позднее, после работ Л Я Гутина о шуме вращения винта (1936), Д И Блохинцева по акустике движущейся среды (1946) и M Д Лайтхилла (M J Lighthill) о шуме турбулентных струй (1952-54). Аэрошумы можно разделить на два класса: образующиеся при смешении частиц среды в потоке и при обтекании потоком твёрдых тел К первому классу можно отнести шум струи, ко второму - шум обтекания проводов (т н эоловы тона), винтов, вентиляторов и т. д.

Необходимо отметить, что Н.Н. Андреев и И.Г. Русаков, Д.И. Блохинцев разработали основы акустики движущихся сред.

2.3 Ученые, которые повлияли на развитие акустики движущихся сред

Блохинцев Дмитрий Иванович

Блохинцев Дмитрий Иванович [р. 29.12.1907 (11.1.1908), Москва], советский физик, член-корреспондент АН СССР (1958), Герой Социалистического Труда (1956). Член КПСС с 1943[3].

Д. И. Блохинцев перед и во время Великой Отечественной войны активно занимался изучением возникновения звука в потоке и распространения звука к атмосфере. Его работы в этой области принесли большую пользу при разработке комплексов для обнаружения вражеских самолетов. Теоретическую часть своей работы Д. И. Блохинцев опубликовал в 1946 г. в книге «Акустика неоднородной движущейся среды». Книга получила широкую известность у нас и за рубежом, она была переведена на английский язык.

В 1944 году построил, исходя из уравнений газогидродинамики, теорию звуковых явлений в движущихся и неоднородных средах, получив уравнения акустики самого общего вида (уравнения Блохинцева), на основе которых вывел ряд акустических законов, объяснил и рассчитал разнообразные акустические явления в движущихся и неоднородных средах (в том числе турбулентных), касающихся, с одной стороны, механизма генерирования шума, а с другой — методов и средств его приема. Сформулировал уравнения геометрической акустики.

В последние годы своей жизни Д. И. Блохинцев возвратился к проблемам аэроакустики и решил переиздать свою книгу с учетом последних достижений в области аэроакустики. К сожалению, неожиданная смерть помешала ему осуществить этот замысел. Учитывая, что книга Д. И. Блохинцева не потеряла своей актуальности и сейчас и выводы ее широко используются специалистами в практической деятельности, было решено, исправив замеченные опечатки, переиздать ее без изменения, как одну из фундаментальных работ в области аэроакустики[1].

Андреев Николай Николаевич

Андреев Николай Николаевич [р. 16(28).7.1880, с. Курмане Полтавской губернии], советский физик, академии АН СССР (1953; член-корреспондент 1933), создал школу советских акустиков. Окончил Базельский университет в 1909. С 1912 преподавал и вёл научную работу в Московском университете. С 1917 работал в ряде вузов и научно-исследовательских учреждений СССР (с 1940 в физическом институте, с 1954 в Акустическом институте АН СССР).

Труды относятся к физической и технической акустике и теории колебаний, к распространению звуковых волн, дал строгую теорию распределения звука в движущихся средах. Осуществил исследования по теории распространения звука вдоль поглощаемых поверхностей, теории акустических фильтров и звуковых волн конечной амплитуды. Ряд работ связан с изучением спектра затухающих колебаний, с исследованием колебаний кристаллических и анизотропных сред, вопросов реверберации звука и звукоизоляции. Под его руководством в нашей стране были начаты исследования по нелинейной акустике, по распространению звука в слоистых средах, электромеханическим активным материалам. Создал школу в области физической и технической акустики. В 1941—45 под руководством А. проводились работы, положившие начало советской гидроакустике. Автор многих научно-популярных статей и книг. Награжден 3 орденами Ленина и орденом Трудового Красного Знамени[4].

Стретт Джон Уильям, лорд Рэлей

Английский физик Джон Уильям Стретт, третий барон Рэлей, родился в Ленгфорд-Гроув, Мелдон (Эссекс), 12 ноября 1842 г. В 1861 г. Стретт поступил в Тринити-колледж в Кембридже, где изучал математику и физику у Э. Дж. Роуса, окончил его с отличием в 1865 г. Год спустя ему предложили стать членом ученого совета Тринити-колледжа. Этот пост он занимал до 1871 г.

В 1868 г. Стретт создал научную лабораторию в своей родовой усадьбе в Терлинг-Плейс, Уитхем (Эссекс), где занялся интересующими его явлениями излучения. В результате этих исследований он опубликовал статьи по акустике и оптике. В 1871 г. он вывел соотношение между интенсивностью рассеяния света очень малыми частицами и длиной его волны (известное как закон рассеяния света Рэлея). Среди проведенных им исследований мы встречаем экспериментальные и теоретические работы по оптическим приборам, в результате которых впервые была определена разрешающая способность дифракционной решетки, а также был сделан фундаментальный анализ оптических свойств спектроскопов. Спектроскоп в конце 1870-х годов становился все более важным прибором при исследованиях солнечного света и излучении атомов и молекул.

В 1879 г. стал профессором экспериментальной физики (пост, учрежденный в 1871 г.) и директором Кавендишской лаборатории (открытой в 1874 г.).В 1892 г. Стретт начал серию измерений плотностей газов в соотношении с их атомными весами. Стретт опубликовал десяток работ по таким вопросам, как интерференция и рассеяние света, телефонная связь, звуковые измерения. В 1900 г. он опубликовал вывод о соотношении между температурой и длиной волны в спектре абсолютно черного тела, основанный на существующих физических законах. В 1904 г. Стретт был награжден Нобелевской премией по физике «за исследования плотностей наиболее распространенных газов и за открытие аргона в ходе этих исследований». (Рамзай получил Нобелевскую премию 1904 г. по химии.)

Стретт опубликовал свыше 400 работ за более чем пятьдесят лет своей исследовательской деятельности. С 1908 г. до самой смерти он был номинальным президентом Кембриджского университета.Умер 30 июня 1919 г. в Терлинг-Плейс.

Кроме Нобелевской премии, Стретт был награжден Королевской медалью (1882), медалью Копли (1899) и медалью Румфорда (1914) Лондонского королевского общества; золотой медалью Маттеучи Итальянской национальной академии наук (1895); медалью Фарадея Британского химического общества (1895); медалью Альберта Королевского общества искусств (1905) и медалью Эллиота Крессона Франклиновского института (1914). Ему было присвоено тринадцать почётных учёных степеней, и он был принят в члены свыше 50 научных обществ[4].

2.4 Применение акустики движущихся сред

При перемещении тела на высокой скорости возникает Акустика движущихся сред применяется при создании аэродинамических корпусов для машин, самолётов, космической техники, вертолётов и т. п. для реверберации звука и звукоизоляции. Также она используется для распространения звука в движущейся среде, например в воздухе или воде. Применяется аэродинамическая труба для исследования аэродинамических свойств.

Страницы: 1, 2