Введение к работе
Повышенное поглощение звука в АПС твёрдой поверхности, с которой взаимодействует стационарное акустическое поле, наблюдалось при проведении экспериментов по визуализации акустических полей [3]. При этом были произведены прямые измерения плотности тепловых потоков, возникающих в пристеночном слое при взаимодействии стационарного акустического поля с твёрдой поверхностью. Сопоставление результатов измерений с расчётными значениями, полученными с использованием теории [1,2] показало, что реальные величины плотности тепловых потоков в 6…8 раз превышают расчётные значения. Анализ результатов исследований позволил установить, что увеличение тепловыделения в пристеночном слое поверхности связано с возникновением в нем акустических течений Шлихтинга [4].
В физической и технической акустике существует широкий круг задач, связанных с формированием акустических полей в ограниченных средах. Расчеты структуры акустического поля в ограниченной среде часто проводят без учёта диссипативных процессов, что в значительной степени упрощает процедуру расчетов, но понижает достоверность получаемых результатов. Различия результатов расчета и параметров реальных акустических полей особенно заметны вблизи собственных частот ограниченной среды, на которых в ограниченном объеме газа возникают стоячие звуковые волны. Физические процессы, происходящие при формировании АПС, возникающие вблизи поверхности твёрдого тела при взаимодействии с ней стоячей звуковой волны, в полной мере до сих пор не изучены. Не ясен также вклад вихрей Шлихтинга в диссипацию акустической энергии в пристеночном слое. Эти вопросы являются предметом исследования и определяют актуальность данной работы.
Цель работы. На основе экспериментальных и теоретических исследований определить закономерности физических процессов, возникающих при формировании АПС, в случае взаимодействия стоячей звуковой волны с поверхностью твёрдого тела и установить роль и вклад акустических течений Шлихтинга в диссипацию акустической энергии в пристеночном слое.
Задачи исследования:
Методические:
обосновать возможность применения резонансного метода акустических измерений для экспериментального определения величины полного ПКЗ стоячей звуковой волны;
сформулировать условия и предложить методику проведения измерений, при которых на поглощение звука в пристеночном слое, обусловленное возбуждением в нём вихрей Шлихтинга, не влияют другие механизмы диссипации акустической энергии;
обосновать метод, использование которого позволяет из результатов прямых акустических измерений получать величины параметров, характеризующих вклад вихрей Шлихтинга в диссипацию энергии в пристеночном слое.
Теоретические:
провести анализ процессов диссипации акустической энергии при распространении бегущих звуковых волн нулевого порядка в трубах и сопоставить результаты расчетов и измерений пространственных коэффициентов затухания (ПКЗ) волн;
изучить физические свойства акустических течений Шлихтинга и показать их роль в процессах диссипации акустической энергии в пристеночном слое газа;
разработать физическую модель процесса формирования АПС при взаимодействии стоячих звуковых волн с плоской бесконечной поверхностью твёрдого тела и на её основе получить выражения для расчёта коэффициентов поглощения звука и плотности тепловых потоков, возникающих при возбуждении в пристеночном слое турбулентного АПС.
Экспериментальные:
разработать и оснастить современными измерительными средствами установку для проведения акустических измерений основных параметров стоячих звуковых волн;
провести измерения полных ПКЗ и других параметров стоячих звуковых волн, возникающих при возбуждении продольных полуволновых резонансов в трубах;
проанализировать экспериментальные характеристики для выявления частотных зависимостей основных параметров АПС стоячей звуковой волны, на основе которых получить расчетные выражения параметров, характеризующих вклад вихрей Шлихтинга в поглощение звука.
Методы исследований. При решении поставленных в работе задач использовались: теория ламинарного и турбулентного пограничных слоев, теория акустического пограничного слоя, теория формирования акустических полей в трубах и волноводах, резонансный метод проведения акустических измерений. Для обработки результатов измерений применялись специализированные компьютерные программы.
Научная новизна. В диссертации впервые исследованы процессы диссипации акустической энергии в АПС, возникающих при взаимодействии стоячей звуковой волны с поверхностью твердого тела. При этом показано, что в этом случае в поглощение звука вносят вклад как вязкие и тепловые неоднородные волны, возбуждающиеся на поверхности тела, так и акустические течения Шлихтинга, появляющиеся в пристеночном слое.
Применение теории турбулентного пограничного слоя позволяет провести анализ процессов поглощения звука в случае возникновения вблизи твёрдой поверхности турбулентного АПС. Это дало возможность получить выражения для расчёта плотности тепловых потоков, текущих через границу раздела сред, в случае образования турбулентного АПС вблизи гладкой и шероховатой плоских бесконечных поверхностей. Показано, что в этом случае основной вклад в диссипацию энергии вносит теплопроводность сред.
Разработанная теория позволила получить формулы для расчетов плотности тепловых потоков и ПКЗ стоячих звуковых волн в случае возбуждения турбулентного АПС в цилиндрических трубах, имеющих гладкую и шероховатую внутренние поверхности.
Экспериментальные исследования линейных стоячих звуковых волн, возбужденных в цилиндрических трубах закрытых жесткими крышками, позволили количественно оценить вклад одиночных вихрей Шлихтинга и цепочек вихрей Шлихтинга в поглощение звука в пристеночном слое. Установлен характер изменения основных параметров стоячей звуковой волны от частоты. Разработана методика, позволяющая учитывать влияние акустических течений Шлихтинга на затухание звука в ограниченных средах.
Практическая ценность. Большинство результатов работы относятся к поглощению звука и тепловыделению в пристеночных слоях ограниченных сред. В диссертации установлены основные направления использования исследованных эффектов в физической и технической акустике.
Практическая ценность диссертационной работы заключается в том, что её результаты позволяют получать более достоверные оценки процессов диссипации энергии при формировании звуковых полей в трубах, волноводах и акустических резонаторах любого типа. Эти результаты могут быть также распространены на акустические поля помещений заполненных воздухом или какими-либо другими газами.
Предложенная методика учёта влияния акустических течений Шлихтинга на диссипацию энергии в пристеночных слоях позволяет уточнить набор основных механизмов акустических потерь в ограниченной среде.
Работа выполнялась в соответствии с планом фундаментальных НИР, входящих в единый заказ-наряд Минобрнауки РФ. Результаты работы использованы для оценки возможности применения тепловых труб в качестве пассивных поглотителей акустических шумов, источником которых является судовая энергетическая установка. Полученные в работе теоретические и экспериментальные результаты используются в учебном процессе в курсе «Физическая акустика» и дисциплине «Акустические измерения», которые изучаются студентами, проходящими подготовку по специальности 010701 – физика.
Основные положения выносимые на защиту:
-
В основе механизма диссипации энергии в АПС при взаимодействии стоячей звуковой волны с поверхностью твердого тела лежит эффект возникновения акустических течений Шлихтинга.
-
Расчет коэффициента поглощения звука и плотности тепловых потоков в пристеночном слое турбулентного АПС показывает, что основной вклад в диссипацию акустической энергии в пристеночном слое вносит теплопроводность среды.
-
Определенный экспериментально вклад акустических течений Шлихтинга в ПКЗ стоячей волны более чем на порядок превышает вклад диссипативных процессов, происходящих в ламинарном АПС.
-
Расчет тепловыделения на одиночном вихре Шлихтинга, а также на цепочке таких вихрей, возникающих в трубе при возбуждении продольного полуволнового резонанса, показывает, что в нижней части звукового диапазона частот их вклад в полные потери резонансной системы является определяющим.
Достоверность результатов подтверждается использованием в ходе работы апробированных и хорошо зарекомендовавших себя на практике теории турбулентного пограничного слоя, теории ламинарного акустического пограничного слоя и теории формирования, акустических полей в трубах и волноводах. Применением надежных методов акустических измерений, результаты которых имеют хорошее согласие с теорией. Использованием современной измерительной аппаратуры и применением надежных компьютерных методов обработки результатов измерений.
Апробация работы. Полученные в работе результаты докладывались на:
Всероссийской НК студентов-физиков и молодых ученых ВНКСФ-11, ВНКСФ-12, ВНКСФ-15 (Екатеринбург, Новосибирск, Кемерово, Томск, 2005, 2006, 2009);
городском семинаре по вычислительной и теоретической акустике, руководитель профессор Д.П. Коузов (Санкт-Петербург, 2008);
уральском семинаре «Механика и процессы управления. Итоги диссертационных исследований» (Екатеринбург, 2009);
НТК «Кораблестроительное образование и наука - 2005» (Санкт-Петербург, 2005);
11-й ВНК студентов и аспирантов радиофизиков (Санкт-Петербург, 2007);
НТС 6 отделения Крыловского государственного научного центра(Санкт-Петербург, 2009);
НТС СПбГМТУ (Санкт-Петербург, 2008, 2009);
МНК Механика на машините (Варна, 2010);
XX и XXIV сессии Российского акустического общества (Москва, Саратов 2008, 2011);
НК молодых ученых и специалистов в Крыловском государственном научном центре «Судовая и промышленная акустика» (г. Санкт-Петербург, 2010);
научных семинарах кафедры физики СПбГМТУ: 2005, 2008, 2011, 2012.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ. Пять работ выполнены без соавторов, десять работ выполнены в соавторстве, доля автора 25%…50%. В изданиях, определяемых Перечнем ВАК РФ, опубликовано 4 статьи, выполненные в соавторстве, доля автора 25…100%.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, и списка использованной литературы (64 наименований). Объем диссертации составляет 124 страницы, включая 38 рисунков и 8 таблиц.
