Изучение газодинамической неустойчивости Кельвина – Гельмгольца с помощью гофрированной трубы

Актуальность

Звуковые волны являются одним из главнейших источников информации об окружающем мире. Звук воспринимается органами чувств человека и животных. Обычный человек способен слышать звуковые колебания в диапазоне частот от 16 Гц до 20 кГц. Громкость звука сложным образом зависит от эффективного звукового давления, частоты и формы колебаний. Громкость определяется также амплитудой колебаний, так как звук – это физическое явление, представляющее собой распространение волн в виде упругих колебаний в твёрдой, жидкой и газообразной среде.

Звуковая труба – всего лишь игрушка для детей. Но на самом деле в этой игрушке можно наблюдать физические явления. При протекании воздуха через трубку с гофрированной внутренней поверхностью генерируется тональный (мультитональный), то есть когерентный акустический сигнал. Главные процессы, приводящие к генерации, – это вынужденное возбуждение активной среды в резонаторе (трубке) и обратная связь, приводящая к нелинейному усилению одной или нескольких гармоник резонатора за счёт процессов нелинейной конкуренции волн. Среда в трубке становится активной за счёт процессов, происходящих при обтекании потоком гофрированной стенки. С помощью гофрированной трубки можно исследовать газодинамическую неустойчивость Кельвина – Гельмгольца. Неустойчивость Кельвина – Гельмгольца возникает на границе между двумя воздушными потоками, движущимися с различными скоростями. Этот эффект наблюдается в атмосфере Земли, Сатурна и Юпитера в виде облаков Кельвина – Гельмгольца.

В этой связи становится понятной актуальность изучения газодинамической неустойчивости Кельвина – Гельмгольца, так как изменение состава земной атмосферы глобальным образом влияет на климат.

Цель

Изучить газодинамическую неустойчивость Кельвина – Гельмгольца.

Задачи

1. Собрать, структурировать и проанализировать литературные источники по данной теме.

2. Исследовать зависимость акустического тона от скорости вращения гофрированной трубы.

3. Исследовать зависимость скорости воздушного потока в гофрированной трубе от длины складок гофры.

4. Исследовать зависимости акустического давления

1) от скорости вращения звуковой трубы;

2) геометрических параметров гофрированной трубы;

3) скорости воздушного потока в статическом положении гофрированной трубы.

5. Визуализировать газодинамическую неустойчивость Кельвина – Гельмгольца.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

• Набор гофрированных трубок (детская игрушка, трубка с плоской гофрой, трубка с высокой гофрой)
• Штангенциркуль, секундомер, линейка
• Видеокамера
• Датчики звукового давления и звука цифровой лаборатории по физике Relab
• Анемометр с крыльчаткой ADA AeroTemp IP65 А00546
• Электропылесос «Чайка-3» мощностью 370 Вт
• Тепловизор FLUKE TIS10 9HZ

Описание

Авторами работы были использованы следующие методы исследования:

• теоретический анализ и обобщение;
• физический эксперимент;
• методы математической статистики.

1. В ходе работы над проектом авторы ознакомились с теоретическим материалом по следующим темам:

1.1 Гравитационно-сдвиговые волны (облака Кельвина – Гельмгольца)

Эти облака были названы в честь немецкого физика Германа фон Гельмгольца и британского физика Лорда Кельвина и формируются, когда два разных слоя воздуха проходят мимо друг друга на разной скорости. При этом верхний слой движется быстрее, чем нижний. Некоторые области на границе соприкосновения (в области сдвига) движутся вниз, а другие – вверх. Волноподобные облака обычно являются верным признаком атмосферной нестабильности.

1.2. Звук, излучаемый гофрированной трубкой

При взаимодействии звука и потока с неровностями стенки возникает неустойчивость за счёт некоторого механизма перекачки энергии потока газа в звуковую волну. Тогда нарастание звуковых колебаний происходит после того, как аэродинамическая накачка превысит пристеночные потери на трение и теплопроводность и потери на излучение из открытых концов трубки.

Перекачка энергии возможна только за счёт процессов, происходящих вблизи стенки: именно там течение имеет особенности, связанные с наличием градиента скорости (пограничный слой) и гофрированной неоднородностью стенки. При движении давление воздуха у вращающегося конца трубки уменьшается, так как скорость потока увеличивается, тогда как у другого оно равно атмосферному. Обтекая гофрированную поверхность трубки, воздух начинает вибрировать. Частота возникающих при этом колебаний зависит от расстояния между складками и скорости воздушного потока.

2. Авторами проекта были проведены следующие эксперименты.

2.1 Определение скорости воздушного потока во вращающейся гофрированной трубе.

Приборы и материалы: набор гофрированных трубок (№ 1 – детская игрушка, № 2 – трубка с плоской гофрой, № 3 – трубка с высокой гофрой); штангенциркуль; видеокамера; секундомер.

Вывод: скорость воздушного потока в звуковой трубе линейно возрастает с увеличением высоты гофры.

2.2. Определение зависимости звукового давления (тона звука) воздушного потока от длины гофрированной трубки.

Приборы и материалы: гофрированная трубка; датчик звукового давления цифровой лаборатории Relab; линейка, секундомер, анемометр с крыльчаткой ADA AeroTemp IP65 А00546.

Вывод: величина звукового давления обратно пропорциональна длине гофрированной трубы, то есть чем больше длина трубы, тем меньше звуковое давление.

2.3. Определение зависимости частоты звуковых колебаний от скорости воздушного потока в статичном положении гофрированной трубки.

Приборы и материалы: гофрированная труба; датчик звука цифровой лаборатории Releon; электропылесос «Чайка-3» мощностью 370 Вт; анемометр с крыльчаткой ADA AeroTemp IP65 А00546.

Вывод: чем больше скорость воздушного потока, тем выше звуковое давление и тональность звука.

2.4. Визуализация газодинамической неустойчивости Кельвина – Гельмгольца.

Приборы и материалы: экран для визуализации газодинамической неустойчивости Кельвина – Гельмгольца с тремя видами труб; бытовой фен; тепловизор FLUKE TIS10 9HZ.

Вывод: чем больше высота и расстояние между соседними участками гофры, тем интенсивнее проявляется газодинамическая неустойчивость.

Результаты работы/выводы

1. Структурирована и изучена литература по данной теме.

2. Исследована зависимость акустического тона от скорости вращения гофрированной трубы: чем больше скорость вращения трубы, тем выше звуковой тон.

3. Исследована зависимость скорости воздушного потока в гофрированной трубе от длины складок гофры: скорость воздушного потока в звуковой трубе линейно возрастает с увеличением высоты гофры.

4. Исследована зависимость акустического давления 1) от скорости вращения звуковой трубы; 2) геометрических параметров гофрированной трубы; 3) скорости воздушного потока в статическом положении гофрированной трубы: величина звукового давления обратно пропорциональна длине гофрированной трубы, то есть чем больше длина трубы, тем меньше звуковое давление. Чем больше скорость воздушного потока, тем выше звуковое давление и тональность звука.

5. Визуализирована газодинамическая неустойчивость Кельвина – Гельмгольца: чем больше высота и расстояние между соседними участками гофры, тем интенсивнее проявляется газодинамическая неустойчивость.

Мнение автора

«Благодаря погружению в научно-исследовательскую деятельность мы более осознанно подходим к выбору направления своей будущей профессиональной деятельности»