Основные положения акустики движущихся сред

Содержание

1. Введение

2. Акустика движущихся сред

2.1Основные положения акустики движущихся сред

2.2 Краткая история акустики движущихся сред

2.3 Ученые, которые повлияли на развитие акустики движущихся сред

2.4 Применение акустики движущихся сред

3.Эффект Доплера

3.1 Основные положения эффект Доплера

3.2 Доплер Христиан

3.3 Применение эффекта Доплера

4.Заключение

5. Список использованной литературы

 

Введение

«Движение и звук» подразумевает движение среды, приёмников звука, источника звуковых колебаний, либо границы, либо их вариации. Так как обычно не требуется рассмотрение перемещений среды, источника либо границы, то разобьем их рассмотрение на разделы. Рассмотрим движение среды или источников и приёмников звука отдельно под названием «Акустика движущихся сред», а перемещение приёмника, источника, границы отдельно под названием «Эффект Доплера».

Акустика движущихся сред - раздел акустики, в котором изучаются звуковые явления при движении среды или источников и приёмников звука.

Акустика движущихся сред касается очень многих разделов акустики, таких как аэроакустика, акустические течения, аэродинамика, гидролокация и аэролокация, а также частично эффект Доплера.

Эффект Доплера — зависимость наблюдаемой частоты периодического колебания от любого изменения расстояния между источником колебаний и наблюдателем.

В 1842 Доплер теоретически обосновал зависимость частоты колебаний, воспринимаемых наблюдателем, от скорости и направления движения источника волн и наблюдателя относительно друг друга. Это явление впоследствии было названо его именем (эффект Доплера). Так как о его биографии известно очень мало, историю изобретения эффект Доплера опустим. Стоит отметить, что на развития данного направления никто так сильно не повлиял как Доплер, поэтому биографию остальных учёных опустим.

 

Акустика движущихся сред

Ученые, которые повлияли на развитие акустики движущихся сред

Блохинцев Дмитрий Иванович

 

Блохинцев Дмитрий Иванович [р. 29.12.1907 (11.1.1908), Москва], советский физик, член-корреспондент АН СССР (1958), Герой Социалистического Труда (1956). Член КПСС с 1943[3].

Д. И. Блохинцев перед и во время Великой Отечественной войны активно занимался изучением возникновения звука в потоке и распространения звука к атмосфере. Его работы в этой области принесли большую пользу при разработке комплексов для обнаружения вражеских самолетов. Теоретическую часть своей работы Д. И. Блохинцев опубликовал в 1946 г. в книге «Акустика неоднородной движущейся среды». Книга получила широкую известность у нас и за рубежом, она была переведена на английский язык.

В 1944 году построил, исходя из уравнений газогидродинамики, теорию звуковых явлений в движущихся и неоднородных средах, получив уравнения акустики самого общего вида (уравнения Блохинцева), на основе которых вывел ряд акустических законов, объяснил и рассчитал разнообразные акустические явления в движущихся и неоднородных средах (в том числе турбулентных), касающихся, с одной стороны, механизма генерирования шума, а с другой — методов и средств его приема. Сформулировал уравнения геометрической акустики.

В последние годы своей жизни Д. И. Блохинцев возвратился к проблемам аэроакустики и решил переиздать свою книгу с учетом последних достижений в области аэроакустики. К сожалению, неожиданная смерть помешала ему осуществить этот замысел. Учитывая, что книга Д. И. Блохинцева не потеряла своей актуальности и сейчас и выводы ее широко используются специалистами в практической деятельности, было решено, исправив замеченные опечатки, переиздать ее без изменения, как одну из фундаментальных работ в области аэроакустики[1].

 

Андреев Николай Николаевич

Андреев Николай Николаевич [р. 16(28).7.1880, с. Курмане Полтавской губернии], советский физик, академии АН СССР (1953; член-корреспондент 1933), создал школу советских акустиков. Окончил Базельский университет в 1909. С 1912 преподавал и вёл научную работу в Московском университете. С 1917 работал в ряде вузов и научно-исследовательских учреждений СССР (с 1940 в физическом институте, с 1954 в Акустическом институте АН СССР).

Труды относятся к физической и технической акустике и теории колебаний, к распространению звуковых волн, дал строгую теорию распределения звука в движущихся средах. Осуществил исследования по теории распространения звука вдоль поглощаемых поверхностей, теории акустических фильтров и звуковых волн конечной амплитуды. Ряд работ связан с изучением спектра затухающих колебаний, с исследованием колебаний кристаллических и анизотропных сред, вопросов реверберации звука и звукоизоляции. Под его руководством в нашей стране были начаты исследования по нелинейной акустике, по распространению звука в слоистых средах, электромеханическим активным материалам. Создал школу в области физической и технической акустики. В 1941—45 под руководством А. проводились работы, положившие начало советской гидроакустике. Автор многих научно-популярных статей и книг. Награжден 3 орденами Ленина и орденом Трудового Красного Знамени[4].

 

Эффект Доплера

Применение эффект Доплера

Виды доплеровских измерителей по назначению:

Доплеровские измерители используются в различных целях во многих отраслях производства, транспорта, медицины, научных и научно-практических исследований военном деле.

Бортовые измерители

Доплеровские измерители скорости и сноса для определения вектора путевой скорости самолёта, вертолёта. В настоящее время в авиации применяются измерители только радиолокационного типа.

Принцип действия ДИСС основан на использовании эффекта Доплера, согласно которому, частота принятого сигнала, отражённого от цели может отличается от частоты излучённого сигнала и разница зависит от соотношения скоростей объектов относительно друг друга. Для измерения скорости измеритель имеет антенную систему с несколькими (3 или 4) остронаправленными лучами диаграммы направленности. Принимаемый по каждому из этих лучей сигнал имеет доплеровскую частоту пропорциональную проекции вектора скорости самолета на этот луч. Для измерения вектора скорости достаточно трех лучей, не лежащих в одной плоскости, но иногда используются четыре луча, что дает некоторую избыточность без заметного усложнения конструкции. Данный метод измерений принципиально требует узконаправленных антенн, которые как правило имеют значительные габариты. Кроме того отклонения углов антенн от номинального значения, например, из-за температурных деформаций, приводит к погрешностям измерений. Кроме того направление прихода максимального отраженного сигнала может отличаться от направления максимума диаграммы направленности, если мощность отраженного сигнала резко падает с уменьшением угла падения луча на землю, что также приводит к методическим ошибкам измерения. Этот эффект отражения, который получил название "зеркального эффекта", особенно часто наблюдается над спокойной поверхностью моря. Поэтому при использовании измерителей скорости применяют переключатель суша-море для внесения соответствующих поправок в результаты измерений[8].

Медицинские измерители

Частота ультразвука, принятого от движущегося отражателя (или рассеивателя), отличается от частоты излученного сигнала. Это явление называют эффектом Доплера, а величину изменения частоты, пропорциональную скорости движения отражателя (или рассеивателя), — доплеровским сдвигом. Смешивая излученный и принятый сигналы, получают разностный (доплеровский) сигнал, частота которого равна доплеровскому сдвигу. Для связанных с движением многих физиологических процессов в организме величина этого сдвига находится в диапазоне звуковых частот, что и привело к созданию простых индикаторов скорости, в которых доплеровский сигнал подается на наушники или громкоговорители. Оператор, работающий с таким прибором, может на слух определить наличие перемещения какого-либо отражателя (или рассеивателя) на пути ультразвукового пучка, а при некотором опыте — судить о характере движения. Такие устройства были использованы для определения внутриутробного сердцебиения плода и вибраций стенок сосудов при измерении артериального давления. В обоих случаях эти приборы использовались как своеобразный стетоскоп; при этом регистрировались мощные ультразвуковые сигналы от отражающих структур. Однако наибольший интерес вызывает задача регистрации и измерения параметров кровотока, когда ультразвук рассеивается на форменных элементах крови, хотя для работы со слабыми рассеянными сигналами требуется более сложная аппаратура. Оператор может определить, доступен ли сосуд, находящийся на пути пучка, доплеровскому обследованию, а при наличии опыта может обнаружить высокие доплеровские частоты от ускоренного кровотока в сужении сосуда, а также турбулентность за сужением.

Диагностические возможности ультразвукового измерителя скорости кровотока можно расширить в нескольких направлениях. Его можно применять для визуализации кровотока в сосудах, прикрепив ультразвуковой зонд к координатному устройству, которое позволяет синхронно с зондом перемещать на запоминающем мониторе яркостную отметку. При появлении доплеровского сигнала отметка усиливается и запоминается, причем при стенозе изображение сосуда будет суженным. Если доплеровский сигнал подать на частотный детектор, а с него на регистратор или осциллограф, можно зарегистрировать кривую скорости артериального кровотока. Вид этой кривой зависит от состояния артериального русла и может использоваться для диагностики заболеваний сосудов. Подавая доплеровский сигнал на анализатор спектра, можно получить распределение доплеровских частот, обусловленное тем, что элементы крови движутся внутри сосуда с различными скоростями. Такой способ отображения особенно ценен для обнаружения турбулентности, так как его чувствительность, возможно, выше, чем при прослушивании сигналов малоквалифицированным оператором.

Простейший доплеровский прибор излучает непрерывный немодулированный ультразвук и называется доплеровским прибором непрерывного излучения (ДПНИ). Так как он реагирует на кровоток в любой области пучка (хотя чувствительность и падает с глубиной из-за затухания сигнала), его нельзя использовать для различения сосудов, находящихся на разных глубинах, или для измерения профиля скоростей в одном сосуде. Для решения этих задач необходима информация о глубине, которую получают путем модуляции излучаемого сигнала. Определенное состояние модулированного сигнала жестко связано с моментом излучения, и, выделяя это состояние в рассеянном сигнале, можно определить время его запаздывания и тем самым определить глубину рассеивателя. Обычно используется амплитудная модуляция последовательностью импульсов — такие приборы называют импульсно-доплеровскими локаторами.

Комбинация В-сканера реального времени и импульсно-доплеровского устройства, называемая дуплексным сканером, обычно используется для одновременной визуализации сосуда и регистрации кровотока.

Доплеровские приборы, обладающие разрешением по глубине, могут применяться в устройствах визуализации, которые позволяют формировать изображения, требующие знания о глубине. Они могут использоваться не только для селекции сосудов, залегающих на разных глубинах, но и для построения профиля скоростей, распределения скорости кровотока в поперечном сечении сосуда.

Когда требуется измерение абсолютного значения скорости (а не кривая скорости и не профиль кровотока), возникает следующая проблема. Измеренный доплеровский сдвиг частоты пропорционален не только скорости кровотока, но также и углу между вектором скорости и ультразвуковым пучком, так что знание этого угла необходимо, чтобы вычислить скорость по доплеровскому сдвигу. Для решения этой задачи разработан ряд методов. При этом необходимо каким-либо вспомогательным способом измерять угол или ориентировать ультразвуковые пучки под определенным углом; в любом случае для измерения абсолютной скорости необходимо осуществлять тригонометрические преобразования (триангуляцию).

Следующая проблема после измерения абсолютной скорости кровотока — вычисление объемного расхода потока крови. Оно заключается либо в измерении средней по пространству (по сечению сосуда) скорости при равномерном облучении сосуда и независимом измерении площади его сечения, либо в интегрировании измеренного профиля скоростей.

Около 20 лет понадобилось, чтобы от первых доплеровских приборов непрерывного излучения перейти к первым серийным измерителям объемного расхода крови. Большая часть разработок была эмпирической, и мы до сих пор еще далеки как от полного понимания процессов формирования доплеровских сигналов, так и от разработки оптимизированных доплеровских систем для решения частных клинических задач. Парадоксально, но некоторые физиологические характеристики, такие, как профиль скоростей, необходимые для оптимизации системы и понимания особенностей формирования доплеровских сигналов, могут быть измерены только с помощью самих доплеровских методов [7].

А также используются: гидро-, метео- измерители, системы охранной сигнализации, измерители военно-технического и разведывательного назначения, технологические измерители [9].

 

Заключение

В реферате мы рассмотрели аспекты науки, влияющие на звук при перемещении среды, источника, приемника звуковых колебаний. Приборы, созданные на основе эффекта Доплера, аэродинамики и т.д. широко используются в наше время. Также очень важен вопрос безопасности оборудования, ведь если прибор представляет угрозу здоровья или жизни человека, то такой прибор не будет широко использоваться. Этими вопросами занимается медицинская часть акустики.

Эффект Доплера получил широкое применение, потому что спокойствие является частью движения и все объекты в нашем мире находятся в состоянии движения.

 

Список использованной литературы

1.Блохинцев Д.И. Акустика неоднородной движущейся среды.- 2-е изд.- М.: Наука Главная редакция физико-математической литературы,1981.

2. Стретт Дж. В. (лорд Рэлей), Теория звука, пер. с англ., 2 изд., М., 1955; Скучик Е., Основы акустики, пер. с нем., т. 1 - 2, М., 1958;

3.Дмитрий Иванович Блохинцев, "Успехи физических наук", 1963, т. 94, в. 1.

4.Н. Н. Андреев (к 85-летию со дня рождения), "Акустический журнал", 1965, т. 11, в. 3; Н. Н. Андреев, М., 1963

5.Ю.А. Храмов. Физики. Биографический справочник. М, "Наука", 1983

6. Исаакович М. А., Общая акустика, М., 1973.

7. Применение ультразвука в медицине: Физические основы: Пер. с англ./Под ред. К.Хилла. — М.: Мир, 1989.— 568 е., ил.

8. Давыдов П. С., Сосновский А. А., Хаймович И. А. Авиационная радиолокация: Справочник. — М.; Транспорт, 1984

9. Бартон Д. и Вард Г. Справочник по радиолокационным измерениям. Пер. с англ. под ред. М. М. Вейсбенна — М.: Сов. радио, 1976

10.Зарембо Л.К., Красильников В.А.,Введение в нелинейную акустику, М., 1966

11. Красильников В. Акустика, Звуковые и ультразвуковые волны в воздухе, воде и твердых телах, 3 изд., М., 1960.

12. Голдстейн М. Е., Аэроакустика, пер. с англ., М., 1981.

13. Мунин А. Г., Кузнецов В. M., Леонтьев E. А., Аэродинамические источники шума, M, 1981г.

14. Лауреаты Нобелевской премии: Энциклопедия. Пер. с англ. – М.: Прогресс, 1992.

15.Лаунд Л.Д., Лифшиц Е.М., Механика сплошных сред, 2-е издание, М., 1968.

Содержание

1. Введение

2. Акустика движущихся сред

2.1Основные положения акустики движущихся сред

2.2 Краткая история акустики движущихся сред

2.3 Ученые, которые повлияли на развитие акустики движущихся сред

2.4 Применение акустики движущихся сред

3.Эффект Доплера

3.1 Основные положения эффект Доплера

3.2 Доплер Христиан

3.3 Применение эффекта Доплера

4.Заключение

5. Список использованной литературы

 

Введение

«Движение и звук» подразумевает движение среды, приёмников звука, источника звуковых колебаний, либо границы, либо их вариации. Так как обычно не требуется рассмотрение перемещений среды, источника либо границы, то разобьем их рассмотрение на разделы. Рассмотрим движение среды или источников и приёмников звука отдельно под названием «Акустика движущихся сред», а перемещение приёмника, источника, границы отдельно под названием «Эффект Доплера».

Акустика движущихся сред - раздел акустики, в котором изучаются звуковые явления при движении среды или источников и приёмников звука.

Акустика движущихся сред касается очень многих разделов акустики, таких как аэроакустика, акустические течения, аэродинамика, гидролокация и аэролокация, а также частично эффект Доплера.

Эффект Доплера — зависимость наблюдаемой частоты периодического колебания от любого изменения расстояния между источником колебаний и наблюдателем.

В 1842 Доплер теоретически обосновал зависимость частоты колебаний, воспринимаемых наблюдателем, от скорости и направления движения источника волн и наблюдателя относительно друг друга. Это явление впоследствии было названо его именем (эффект Доплера). Так как о его биографии известно очень мало, историю изобретения эффект Доплера опустим. Стоит отметить, что на развития данного направления никто так сильно не повлиял как Доплер, поэтому биографию остальных учёных опустим.

 

Акустика движущихся сред

Основные положения акустики движущихся сред

Движение среды влияет на характер распространения звуковых волн, их излучение и приём. В движущейся среде скорость распространения волнового фронта равна v=c+v_n, где с - скорость звука в неподвижной среде, v_n - проекция скорости движения среды на нормаль к фронту. В простейшем случае движения среды как целого волновые фронты точечного источника представляют собой расширяющиеся со скоростью звука сферы, центры которых перемещаются со скоростью среды. При регулярном течения среды возникает акустическое течение.

Акустические Течения(акустический, или звуковой, ветер) — регулярные течения среды, возникающие в интенсивном звуковом поле. Акустические течения возникают как в свободном неоднородном звуковом поле, так и вблизи различного рода препятствий. Акустические течения всегда имеют вихревой характер, их скорость возрастает с увеличением интенсивности звука, но обычно не превосходит величины колебательной скорости частицв звуковой волне. Одно из первых описаний акустические течения дано Рэлеем, заметившим, что если перед резонатором Гельмгольца поместить звучащий камертон, то у противоположного конца резонатора можно обнаружить ветер значительной силы, способный задуть пламя свечи.

Причина возникновения акустического течения обусловлена законом сохранения количества движения и обычно заключается в том, что переносимое звуковой волной количество движения, связанное с колебаниями частиц среды, при поглощении волны передаётся среде, вызывая её регулярное движение. Поэтому скорость акустического течения пропорциональна коэффициента поглощения звука и его интенсивности[10].

Диаграмма направленности неподвижного направленного источника в движущейся с дозвуковой скоростью среде вытягивается в направлении, противоположном движению. При движении среды со сверхзвуковой скоростью звук распространяется внутри т. н. Маха конуса - конуса с вершиной в источнике звука. Вне этого конуса звук отсутствует, а внутри него через любую фиксированную точку наблюдения проходят два волновых фронта.

В соответствии с этим наблюдатель, расположенный внутри конуса Маха, слышит звук, приходящий с двух разл. направлений. При движении источника в неподвижной среде к эффектам, указанным выше, добавляется Доплера эффект. Пространственно-неоднородные течения в среде вызывают рефракцию звука. Так, напр., в приземном слое атмосферы скорость ветра возрастает с высотой, поэтому при распространении звука против ветра звуковые лучи изгибаются вверх, а при распространении по ветру - вниз. Этим объясняется лучшая слышимость для стоящего на земле наблюдателя с наветренной стороны и худшая - с подветренной по сравнению со слышимостью в безветрие. Турбулентное движение среды вызывает рассеяние проходящих через неё звуковых волн на неоднородностях скорости и флуктуации их амплитуд и фаз[12].

При взаимодействии с вихревыми течениями, образующимися при отрывном обтекании твёрдых тел, звук может поглощаться или усиливаться. Например: струя, вытекающая из отверстия в перегородке, эффективно поглощает звук. Струя, обдувающая отверстие по касательной, при определенных соотношениях между скоростью струи, размерами отверстия и частотой звука может усиливать звук. Этим объясняется, в частности, процесс генерации звука в духовых музыкальных инструментах типа флейты. Усиление звука возможно и в свободном пространстве - при отражении от границы между покоящейся средой и средой, движущейся со сверхзвуковой скоростью (например, от границы сверхзвуковой струи).

Нестационарные течения среды вызывают генерацию звука. Периодичный срыв вихрей за плохо обтекаемым телом порождает вихревой звук. При натекании струи на препятствие может возникнуть т. н. клиновый тон, это явление используется в газоструйных излучателях. Интенсивный звук генерируется высокоскоростными турбулентными течениями. Напр., интенсивность звука,порождаемого реактивной струёй стартовой ступени ракеты, достигает 150 дБ на расстоянии 100 м. Прикладные проблемы акустического движения среды, связанные с аэродинамичной генерацией звука в высокоскоростных потоках, составляют предмет аэроакустики.

Аэроакустика - раздел физики, находящийся на стыке аэродинамики и акустики, в котором изучаются проблемы аэродинамичные генерации звука, акустики движущихся газовых потоков, взаимодействия звука с потоком и методы снижения аэрошумов. А в основном имеет дело со звуком, создаваемым аэродинамичними силами и возмущениями, которые возникают в самом потоке, а не приложенными извне силами или колебаниями, как в классической акустике.

Основные уравнения акустического движения среды получают посредством линеаризации общих уравнений гидродинамики. При исследовании процессов распространения и рассеяния звука нелинейные компоненты уравнений отбрасываются, а при исследовании процессов генерации звука они рассматриваются в качестве источников звука. Параметры этих источников при современном состоянии теории турбулентности, как правило, не могут быть найдены теоретически, поэтому для оценок интенсивности и спектрального состава звука используют различные модели турбулентного движения[13,15].