Исследование процессов диссипации акустической энергии в пограничном слое твёрдой поверхности при взаимодействии с ней стоячей звуковой волны

• Автор: Мусакаев, Махмуд Абдурашидович
• Шифр специальности: 01.04.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 124 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1 Распространение и поглощение звука в неограниченной среде
1.1 Распространение звука в неограниченной среде
1.2 Фазовая скорость звука при распространении в газах
1.3 Затухание звука в газах
1.4 Релаксация объемной вязкости
2 Поглощение звука в ограниченных средах
2.1 Вязкие волны
2.2 Тепловые волны
2.3 Взаимодействие плоской гармонической звуковой волны с твердой
абсолютно теплопроводной плоской поверхностью. Задача Б.П. Константинова
3 Распространение и поглощение бегущих звуковых волн нулевого порядка
в трубах, имеющих однородное поперечное сечение
3.1 Формула Кирхгофа
3.2 Затухание звука в трубе на низких частотах
3.3 Затухание звука в трубах с податливыми стенками
3.4 Формирование в трубе стационарного акустического поля
4 Поглощение звука в турбулентном акустическом пограничном слое
4.1 Формирование акустического пограничного слоя при взаимодействии бегущих и стоячих звуковых волн с плоской твердой поверхностью
4.2 Свойства акустических течений Шлихтинга
4.3 Диссипация акустической энергии в турбулентном АПС
4.4 Затухание звука при возбуждении стоячей волны в прямой трубе
5 Экспериментальное исследование вклада акустических течений Шлихтинга в затухание звука в стоячей волне
5.1 Обоснование выбора метода и условия эксперимента
5.2 Установка для измерений пространственных коэффициентов затухания стоячих звуковых волн
5.3 Результаты измерений
5.4 Анализ результатов измерений
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Введение
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;

В классической акустике [10,29] при решении задачи об отражении волны от абсолютно жесткой стенки показано, что при любых углах падения волны в величина 1^1=1, а акустический импеданс стенки 2 = со. Напомним, что эта задача решалась без учета поглощения звука в пограничном слое.
Для того чтобы учесть процесс диссипации энергии звуковой волны в акустическом пограничном слое Б.П. Константинов в статье [2] записывает граничные условия в следующем виде:
Рассмотрим физический смысл этих граничных условий. Формула (2.3.2) соответствует основному требованию классической акустики о необходимости равенства нулю нормальной составляющей колебательной скорости на твердой границе (их = и0 cos#). Других граничных условий в линейной акустике нет.
Равенство (2.3.3) указывает на то, что тангенциальная составляющая колебательной скорости должна быть равна нулю на твердой поверхности, то есть частицы среды должны прилипать к поверхности твердого тела. Скомпенсировать ее может только вязкая волна, имеющая туже амплитуду, но включенная в противофазе. Не трудно показать, что амплитуда вязкой волны V0 = и, = и0 sin в, где щ - модуль вектора колебательной скорости.
Граничное условие (2.3.4) справедливо только для поверхности абсолютно теплопроводного тела. Требование выполнения этого условия эквивалентно условию появления на поверхности твердого тела тепловой волны, амплитуда которой равна амплитуде акустической температурной добавки к статической температуре среды, но включена она в противофазе по сравнению с волной в свободном пространстве.
Следовательно, в результате появления на границе раздела вязких и тепловых волн на границе раздела формируется акустический пограничный
(2.3.2)
(2.3.3)
(2.3.4)