ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2015, том 463, № 5, с. 538-542
ТЕХНИЧЕСКАЯ ФИЗИКА
УДК 551.46
ТОНКАЯ СТРУКТУРА АКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ, ВЫЗВАННЫХ ПАДЕНИЕМ КАПЛИ НА ВОДНУЮ ПОВЕРХНОСТЬ
© 2015 г. Ю. Д. Чашечкин, В. Е. Прохоров
Представлено академиком РАН Д.М. Климовым 13.01.2015 г. Поступило 15.01.2015 г.
Экспериментально методами высокоразрешающей скоростной видеосъемки, синхронизованной с широкополосным измерением акустического давления, исследована временная структура процесса излучения звука при падении капель на свободную поверхность жидкости.
DOI: 10.7868/S0869565215230097
Исследования процессов генерации звука падающими в жидкость каплями систематически проводятся около 100 лет — вначале как поисковые [1], а позднее ориентированные на решение технологических и военно-технических задач. Одной из них является проблема повышения акустической скрытности кораблей и летательных аппаратов, которая заметно улучшается в сильный дождь или при грозе вследствие повышения уровня фонового шума [2]. Поиск механизмов формирования широкополосного "шума дождя", который систематический ведется последние 50 лет, все еще не завершен, далека от совершенства и теория излучения звука в жидкости гидродинамическими течениями, инициированными падением капли [3—5]. Более того, все еще не идентифицированы физические механизмы генерации высокочастотного звука при падении на водную поверхность сравнительно медленно движущихся капель.
Трудности поиска обусловлены сложностью пространственной картины одновременно протекающих последовательностей быстрых гидродинамических и акустических процессов. В этой связи особый интерес представляют экспериментальные исследования явлений с высоким временным и пространственным разрешением.
Совершенствование техники совмещенного акустического и гидродинамического эксперимента позволило надежно установить, что акустические сигналы, вызванные падением капли в жидкость, имеющие сложную структуру, распространяются одновременно и в воде, и в воздухе
Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского
Российской Академии наук, Москва
E-mail: chakin@ipmnet.ru;prohorov@ipmnet.ru
[6]. Типовой сигнал включает начальный (ударный) звуковой пакет с частотой заполнения 70— 120 кГц, образующийся в процессе быстрого слияния нижней части капли с поверхностью принимающей жидкости [7].
С задержкой 150—200 мс появляются основные звуковые пакеты с частотой заполнения 1—20 кГц, когда в принимающей жидкости успевает развиваться каверна, от которой отрываются воздушные полости, резонирующие под действием ударного силового воздействия. Звуковой пакет возникает при разрыве и слиянии краев соединительной перемычки, происходящем с экстремальным ускорением, при котором площадь поверхности газовой полости быстро уменьшается на величину А Бъ. Освобождающаяся доступная потенциальная поверхностная энергия Е8 = а А8ъ формирует в области слияния скачки температуры и давления, вызывающие объемные колебания газовой полости. Частота излучаемого звука определяется равновесным размером образующегося пузыря, продолжительность звучания — длительностью перехода полости первоначально неправильной формы в равновесное состояние [8].
Многообразие форм и размеров излучающих газовых полостей проявляется в сильной изменчивости всех параметров излучаемого сигнала: длительности, структуры и спектрального состава пакета. Практический интерес представляет классификация основных форм звуковых пакетов, возникающих при столкновении капель с жидкостью.
Гидродинамика и акустика процессов столкновения капель с жидкостью характеризуются большим числом размерных параметров, в число которых входят диаметр Б и скорость капли ий в момент контакта, плотности, кинетические и термодина-
мические параметры контактирующих сред, ускорение свободного падения g. Основные физические параметры сред — плотности принимающей жидкости и капли, а также воздуха р(, рй, ра, коэф-
1 а а й
фициенты поверхностного натяжения а(, <зй, а,
(
и их нормированные на плотность значения
динамические , , ц a
a a d\
a O, a Od d O,
Y, =—' Y d =—' Y, = — p, Pd p,
и кинематические вязкости сред v, = —, vd = —,
P,
Pd
va = —. Далее все параметры будут приводиться Ра
только для жидкости капли без использования индексов.
Физические свойства вместе с параметрами капли — диаметром Б и скоростью в момент кон-
такта U — определяют набор характерных масшта-
бов: с размерностями длины 5
\ 1/2
sY -J_
U2
8U ; времени т Y
2 ' TY
^ "I^J
—v/2
Y
'5 y =■
v
' т D
vD
Y
' а
также масштаб скорости VI = . Одна группа мас-
V
штабов определяется только свойствами среды, другая зависит от размера капли и скорости в момент контакта.
Здесь приведены временные и пространственные масштабы для типовых значений физических свойств р = 1 г • см-3, у = 73 см3с-2, V = 0.01 см2 с-1 (капля воды диаметром Б = 0.5 см при комнатной температуре, скорость в момент приводнения V = 3.8 м/с):
D Т ' с Y ' V Т—' с т g' с Y ' V Т ' с Y ' Og' см V 0Y ' см djj' см UV ' м/c
0.04 6.7 ■ 10-5 0.017 1.8 ■ 10-10 0.27 1.3 ■ 10-6 5.1 ■ 10-4 73
Приведенные значения однородных масштабов (длины и времени) различаются на несколько порядков, что свидетельствует о сложности структуры и быстроте изменчивости гидродинамических процессов, формирующих акустическое излучение. Качественно можно отметить, что в картине течения выделяются две группы явлений: сравнительно медленные механической
природы с масштабом тм = Б и быстрые с масштабом тт < тм атомно-молекулярной природы. Значения масштабов задачи устанавливают требования к размеру области наблюдения, пространственному и временному разрешению регистрирующих инструментов.
Отношения диаметра капли и одного из линейных масштабов определяют традиционные безраз-
мерные числа: Бонда Во =
D2 _ —
У\2
(SY)
Онезорге
5V
Oh = J =
а также Вебера We = — = DU
\Б ^ * 8Уи У
которое характеризует отношение кинетической энергии капли к доступной потенциальной поверхностной энергии. Отношение характерных скоростей обычно называется капиллярным числом Са = и = .
и: у
Опыты выполнены на стенде ЭСП из состава УИУ "ГФК ИПМех РАН" в бассейне размером
150 х 60 х 40 см. Дозатор, производивший капли диаметром Б = 0.5 см, устанавливался на высоте Н = 100 см от поверхности принимающей жидкости. По измерениям скорость капли в момент контакта составляла 3.8 м/с. Значения безразмерных
параметров We = 975, ОЬ = 1.6 • 10-3, Са = 0.05, Во = 3.3 соответствуют диапазону формирования толстой обратной (кумулятивной) струи по классификации режимов [9], в котором наблюдается интенсивное акустическое излучение.
Течения регистрировались высокоскоростной видеокамерой Ор^опЪз СЯ3000х2 (скорость съемки 9000 к/с, разрешение — 256 х 256 пкс). Акустические сигналы принимались широкополосным измерительным гидрофоном, головка которого находилась на глубине к = 3 см на линии падения капли. Частота дискретизации акустического сигнала составляла /с = 500 кГц. Детальное описание экспериментальной установки приведено в [7].
По данным синхронной регистрации видеоизображений и акустических сигналов впервые выделены три характерных типа подводных течений: без нарушения сплошности среды; с отрывом и уходом замкнутой газовой полости; формированием газовой полости, активно взаимодействующей со стенкой каверны, и соответствующие им структуры звуковых сигналов.
Систематические наблюдения показали, что даже при постоянных условиях эксперимента (фиксированная высота падения и размер капли) существует переменный параметр - угол наклона
2
Y
3
Y
t, мс t, мс
Рис. 1. Фонограммы при различных углах отклонения большой оси капли от вертикали: а = 0.5° (а), 12° (б), 14° (в), 16° (г), 23° (д), 40° (е); 1 — фотография капли у поверхности жидкости, 2 — развернутый пакет II на рис. 1, а.
большой оси капли к вертикали а. Его вариации обусловлены сложным характером взаимодействия падающей капли изменчивой формы с воздушной средой. При отрыве от дозатора по поверхности капли распространяется система возмущений формы, вызванных капиллярными волнами и собственными (рэлеевскими) объемными осцил-ляциями [10]. Кроме того, по мере увеличения скорости растет неоднородность внешнего давления, вызывающего дополнительную деформацию поверхности капли. Совокупность действующих факторов способствует деформации падающей капли в овоид, большая ось которого в момент контакта наклонена к вертикали в диапазоне углов —45° < а < 45°. Следует отметить, что наиболее часто регистрируется одиночный звуковой пакет, свидетедьствующий о сохранении сплошности среды в области падения капли.
Серия фонограмм для нескольких опытов при неизменных условиях (высота и диаметр капли) и фотография капли у поверхности приведены на рис. 1. Нарушение формы на полюсах и светлое пятно в центре капли — паразитные блики (врезка 1 на рис. 1). Фонограммы расположены в порядке возрастания угла наклона а большой оси капли к вертикали.
Во всех опытах в акустических сигналах (рис. 1) присутствует ударный импульс I, возникающий в момент контакта капли с поверхностью, за которым следуют спад давления до отрицательных значений. Далее формируется выброс, который при сохранении условий эксперимента устойчиво воспроизводится на фиксированной временной метке те = 60 мс и новый спад к нулю. Ударный импульс имеет
крутой передний фронт и сложный частотный состав в диапазоне 50—120 кГц [6].
После продолжительной паузы (до 200 мс) появляются звуковые пакеты вида II и III (рис. 1) с частотами от 1.5 до 30 кГц, которые излучаются воздушными полостями в момент их отрыва от подводной части каверн. В опытах регистрировались от одного до четырех звуковых пакетов [6].
Следует отметить, что наиболее часто регистрируется одиночный основной звуковой пакет, свидетельствующий о сохранении сплошности среды в области падения капли.
В данной серии опытов также зафиксированы случаи, когда основные звуковые пакеты не наблюдались (рис. 1, б, а = 12°). При этом воздушные полости от каверны не отделялись.
Интенсивность излучения меняется не монотонно с увеличением угла а. При падении капли, вытянутой по верти
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.