Файл: Константинов, Б. П. Гидродинамическое звукообразование и распространение звука в ограниченной среде.pdf

У Д К 5 3 4 . 1 4 -1 4 : 532 .5 1 7

Гидродинамическое звукообразование и распространение звука в ограниченной среде. К о н с т а н т и н о в Б. П. Изд. «Наука»,

Ленингр. отд., Л., 1974, 1—144.

Гидродинамическое звукообразование представляет большой ин­ терес в связи с проблемами шумности мощных аэродинамических машин (компрессоров, реактивных двигателей и т. д.). Излагае­ мые исследования относятся к фундаментальным вопросам в этой области. Изложена теория автоколебаний язычка духового музы­ кального инструмента, которая является основой для всех при­ кладных исследований по духовым инструментам и исследования

О т в е т с т в е н н ы й р е д а к т о р :

д-р физ.-мат. наук А. В. Р И М С К И Й - К О Р С А К О В

© Издательство «Наука» 1974

Г Л А В А I

Г и д р о д и н а м и ч е с к о е к лапанное з в у к о о б р а з о в а н и е

§ 1,1. Типы гидродинамических звукообразователей

Гидродинамическое звукообразование — это яв­ ление перехода потенциальной или кинетической энергии стационарного течения жидкости или газа в энергию колебательного движения.

Наиболее простым по способу действия гидродинами­ ческим звукообразователем является сирена, устройство которой общеизвестно. В сирене газ из баллона, в котором поддерживается высокое давление, .вытекает в открытое пространство через систему отверстий, периодически зак­ рываемых и открываемых. Объем вытекающего газа яв­ ляется периодической функцией времени, и сирена пред­ ставляет с акустической стороны источник с заданной производительностью. Высота звука определяется числом оборотов ротора сирены.

Аналогичным образом происходит генерация звука во многих духовых музыкальных инструментах, в уст­ ройствах для звуковой воздушной и подводной сигнали­ зации, а также в голосовом аппарате человека и многих животных. Во всех этих случаях звук получается вслед­ ствие вытекания среды через отверстие, открываемое и закрываемое клапаном.

Если оставить в стороне сирену, в которой модуляция сечения отверстия задается принудительно, то во всех клапанных преобразователях имеются две стороны явле­ ния образования звука. Одна сторона — это возникнове­ ние и поддержание незатухающих колебаний клапана, другая — соотношение между колебаниями клапана и воз­ никающим звуком.

5

Отличным от клапанного процесса является процесс образования звука при вытекании струи через отверстие постоянного, неменяющегося сечения, т. е. при отсутст­ вии какого-либо клапана. Если в клапанных преобразо­ вателях возникновение колебаний связано с неустойчи­ востью упругих границ стационарного течения жидкости, то во втором случае возникновение колебаний обуслов­ лено неустойчивостью самого стационарного течения; ог­ раничивающие течение упругие и твердые тела не при­ нимают участия в колебаниях (или по крайней мере их соколебания несущественны).

Неустойчивость стационарного ламинарного течения среды особенно ярко проявляется в турбулизации в тру­ бах и каналах. При критерии Рейнольдса ^ 1100 лами­ нарное течение, если не принять специальные меры, са­ мопроизвольно переходит в турбулентное, сопровождаю­ щееся пульсациями давления и скорости по длине и поперечному сечению трубы. На слух переход к турбу­ лентному режиму сопровождается возникновением шума с широким спектром, содержащим составляющие до 104 гц и выше, из-за чего он носит шипящий и свистящий ха­ рактер.

Неустойчивость границы воды при ветре ведет к об­ разованию волн и возникновению инфразвуковых коле­ баний, распространяющихся по воздуху далеко за пределы области, непосредственно охваченной волнением (так на­ зываемый «голос моря»).*

Возникновение колебаний по второму типу имеет место в различных гудках и свистках, в лабиальной органной трубе, флейте, в аэродинамических трубах, в свистке Гальтона, свистке Гартмана и при насвистывании. При обтекании твердых тел потоком жидкости у поверхности тел также происходит турбулизация потока, сопровожда­ емая турбулентными шумами.

Таким образом, гидродинамическое звукообразование происходит в основном по двум причинам: 1) вследствие неустойчивости состояния покоя упругих границ течения

* В предельном случае бесконечной волнующейся поверхности моря благодаря тому, что длина поверхностных волн существенно меньше длины волны в воздушной среде, волнение должно вызывать только неоднородные волны, не уходящие от поверхности моря. Слабое излучение в принципе возможно из-за «краевых эффектов» — наличия границ области волнения. {Прим. ред.).

6

жидкости и 2) вследствие неустойчивости стационарного ламинарного течения жидкости при неподвижных твер­ дых границах.

Особенно важными звукообразователями первого типа являются клапанные звукообразователи.

§ 1,2. Клапанные преобразователи. Их устройство и основные характеристики

Для того чтобы ясно очертить задачи, возни­ кающие при исследовании клапанных генераторов, нам представляется целесообразным кратко описать устройство и характеристики их основных типов.

Наиболее характерным типом клапанного преобразо­ вателя является язычок гармонии и фисгармонии. На первый взгляд в этом преобразователе единственной су­ щественной деталью является лишь сам язычок, представ­ ляющий собой металлическую пластинку.* Эта пластинка одним концом укрепляется на металлической планке над прорезью (проемом) таким образом, что при изгибе может свободно входить в проем. Зазор между краями язычка

ипроема составляет несколько сотых долей миллиметра.

Вположении равновесия свободный конец язычка при­ поднят над поверхностью планки на 0.2—0.5 мм.

При задании по сторонам планки постоянной разности давлений так, чтобы поток воздуха проходил в направ­ лении, указанном на рис. 1 стрелками,** язычок прихо­ дит в незатухающие колебания.

Существенным является то обстоятельство, что коле­ бания язычка возникают лишь при разности давлений, большей некоторой определенной величины рп, которую мы будем называть пороговым давлением или просто порогом возбуждения язычка.

Возбуждение автоколебаний происходит без внешнего удара или щипка, причем амплитуда колебаний посте­ пенно увеличивается до стационарного значения. По тер­ минологии теории колебаний, такой режим возникнове­

ния колебаний называется мягким режимом.

*Материал язычка должен обладать высоким пределом упру­ гости; применяются латунь, бронза и сталь.

**При обратном направлении потока возбуждение колебаний не имеет места.

7

Частота автоколебаний почти точно равна частоте свободных колебаний язычка. Форма колебаний, по?экспериментальным данным, в частности по осциллограммам, полученным автором, имеет вид чистой синусоиды.

Форма звуковых колебаний, возникающих в окружа­ ющей среде, весьма сильно отличается от£ синусоиды: в спектре звука явно выражены десятки гармонических обертонов.

На величину порога возбуждения^существенное^вли-

с зазором язычок—планка. Экспериментальное исследо­ вание С. П. Хормушко [1] показывает, что если камеру выполнить в виде резонатора Гельмгольца с частотой, равной частоте язычка, то автоколебания не возбужда­ ются вовсе. Этот же автор показал, что, изменяя наст­ ройку камеры А, можно выделять в спектре звука раз­ личные области гармоник и таким образом менять тембр музыкального инструмента.

Описываемый звукообразователь применяется во всех регистрах гармонии и фисгармонии на частотах от 30 до 1000 гц и выше.

Спектр и тембр звука язычка зависят также от ши­ рины и толщины язычка и формы поперечного сечения планки. На рис. 2 показано сечение планки для реги­ стров «флейта» и «кларнет» фисгармонии хорошей фирмы.

Язычок гармонии и фисгармонии принято называть свободным или проходящим, так как он свободно, не за­ девая, проходит сквозь проем в планке.

8

Язычок другого типа, так называемый «бьющий» язы­ чок, применяемый обычно в сочетании с акустической системой в виде трубы, делается несколько шире и длин­ нее проема; при колебаниях он ударяется о поверхность планки.

Бьющий язычок легко возбуждается на входной ка­ мере, однако частота его колебаний в этом случае повы­ шается с увеличением давления дутья в пределах до двух октав.

Бьющий язычок применяется для возбуждения язычковых органных труб. На рис. 3 по-

крытом конце и практически мало зависит от силы дутья. Бьющий язычок из тростника * применяется для возбуждения колебаний в кларнете и саксофоне. Форма мундштука и расположение трости показаны на рис. 4.

*■ Тростник Arunda donax..

D