Актуальность. Впервые задача о поглощении звука в акустическом пограничном слое (АПС) была решена Г. Кирхгофом в 1868 году. В статье [1] Г. Кирхгоф показал, что при распространении нормальных волн нулевого порядка в трубах, имеющих малый диаметр, основной вклад в затухание волн вносит диссипация акустической энергии в АПС внутренней поверхности трубы. Фактически Г. Кирхгоф заложил основы теории распространения и поглощения звука в ограниченных средах.
Круг вопросов рассматриваемых с помощью этой теории, значительно расширился после того, как Б. П. Константинов [2] решил задачу о взаимодействии плоской гармонической звуковой волны с плоской бесконечной абсолютно теплопроводной поверхностью твердого тела. Использование теории [1,2] для решения практических задач показало, что формулы, полученные на её основе, дают хорошие результаты при оценке диссипативных процессов, возникающих в случае взаимодействия бегущих волн с поверхностью твёрдого тела.
Повышенное поглощение звука в АПС твёрдой поверхности, с которой взаимодействует стационарное акустическое поле, наблюдалось при проведении экспериментов по визуализации акустических полей [3]. В этих работах исследовалась структура стационарных полей источников звука, излучающих в слой газа, ограниченный плоскими поверхностями. При проведении экспериментов был реализован высокоточный метод измерения плотности тепловых потоков, текущих через границу газ-твёрдое тело. Это позволило произвести прямые измерения 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 может быть связано только 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. В общем случае возбужденное в ограниченной среде поле является суперпозицией стационарного и нестационарного акустических полей. 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) волнизучить 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 10 701 -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.
Работа выполнена на кафедре физики Санкт-Петербургского Государственного Морского Технического Университета.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ.
• обоснована возможность применения резонансного метода акустических измерений, предполагающего возбуждение в трубе стоячих звуковых волн, для экспериментального определения величины полного пространственного коэффициента затухания стоячих волн;
• разработана и оснащена современными измерительными средствами установка для проведения акустических измерений основных параметров стоячих звуковых волн;
• сформулированы условия проведения измерений, при которых другие механизмы диссипации акустической энергии не влияют на поглощение звука в пристеночном слое, обусловленное возбуждением в нем вихрей Шлихтинга;
• предложена методика прямых акустических измерений параметров стоячих звуковых волн, которые характеризуют потери колебательной энергии в стоячей волне: временной коэффициент затухания, добротность, полный пространственный коэффициент затухания;
• на основе теории турбулентного пограничного слоя получены выражения для расчётов плотности тепловых потоков, текущих через границу раздела сред, и коэффициентов затухания звуковых волн нулевого порядка для случаев, когда вблизи гладкой и твёрдой поверхностей возникает турбулентный АПС;
• предложен метод, использование которого позволяет из результатов прямых акустических измерений получать величины параметров, характеризующих вклад вихрей Шлихтинга в диссипацию энергии в стоячей звуковой волне.
В процессе проведения акустических измерений был реализован линейный режим возбуждения полуволновых резонансов, при которых для акустических чисел Рейнольдса выполняется неравенство Яа" 1. Анализ результатов измерений позволяет сделать следующие выводы:
• величина полного пространственного коэффициента затухания сс^/) увеличивается сростом частоты пропорционально 77 > где/- частота волны;
• значения компоненты пространственного коэффициента затухания учитывающая вклад вихрей Шлихтинга в диссипацию акустической энергии, растет пропорционально 77;
• на всех частотах выполняется неравенства: > 2егк (/) и.
Хк{/)"1, где ак (/) — пространственный коэффициент затухания, обусловленный диссипацией энергии в ламинарном АПСследовательно, в стоячей звуковой волне, возбужденной в трубе, основной вклад в поглощение звука вносят акустические течения Шлихтинга;
• величина мощности тепловыделения на одиночном вихре Шлихтинга с ростом частоты уменьшается пропорционально /77;
• полная мощность тепловыделения, на вихрях возбужденных в объеме трубы при полуволновом резонансе, возрастает с увеличением частоты пропорционально 77 > а также увеличивается пропорционально длине трубы;
• если внутренняя поверхность трубы гладкая, то частотные зависимости параметров, стоячей звуковой волны полученные в результате обработки экспериментальных данных, могут применяться для практических расчетов в звуковом диапазоне частотв случаях когда внутренняя поверхность трубы шероховатая эти формулы дают значения параметров правильные по порядку величины.
