Акустика и гидродинамика импакта капли: два режима излучения звуковых пакетов

Аннотация

Согласованными оптическими и акустическими методами исследованы акустические сигналы в двух режимах слияния с водой свободно падающей капли воды. В интрузивном режиме при малой скорости капли, когда каверна образуется с запаздыванием, в окрашенном следе втекающей жидкости наблюдается только первичный звуковой пакет. В опытах прослежено влияние скорости капли на параметры первичного сигнала. При большой скорости капли каверна начинает формироваться с момента первичного контакта. Картина течения усложняется, вещество капли распределяется по поверхности формирующейся каверны и растущего венца в виде отдельных волокон, образующих линейчатые и сетчатые структуры. Спадающий участок первичного акустического сигнала образован группой импульсов сложного спектрального состава. Далее после паузы регистрируется еще один или несколько низкочастотных звуковых пакетов. Спектральный портрет вторичных пакетов связан с формой отрывающейся газовой полости. Гладкая осесимметричная полость излучает монохроматический пакет. Трансформирующаяся в газовый пузырек полость сложной формы излучает многочастотный сигнал. Длительности и амплитуды вторичных звуковых сигналов зависят от темпа преобразования оторвавшейся газовой полости в гладкий сфероидальный пузырек. Параметры акустических сигналов изменяются немонотонно с ростом скорости сливающейся капли

Работа выполнена при финансовой поддержке РНФ (проект РНФ № 19-19-00598-П)

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Чашечкин Ю.Д. Акустика и гидродинамика импакта капли: два режима излучения звуковых пакетов. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки, 2023, № 1 (106), с. 23--44. DOI: https://doi.org/10.18698/1812-3368-2023-1-23-44

Литература

[1] Worthington A.M. On impact with a liquid surface. Proc. Royal Soc. Lond., 1883, vol. 34, iss. 220-223, pp. 217--230. DOI: https://doi.org/10.1098/rspl.1882.0035

[2] Minnaert M. On musical air-bubbles and the sounds of running water. Lond. Edinb. Dubl. Phil. Mag., 1933, vol. 16, iss. 104, pp. 235--248.DOI: https://doi.org/10.1080/14786443309462277

[3] Prohorov V.E. Acoustics of oscillating bubbles when a drop hits the water surface. Phys. Fluids, 2021, vol. 33, iss. 8, art. 083314. DOI: https://doi.org/10.1063/5.0058582

[4] Joung Y., Buie C. Aerosol generation by raindrop impact on soil. Nat. Commun., 2015, vol. 6, art. 6083. https://doi.org/10.1038/ncomms7083

[5] Veron F. Ocean spray. Annu. Rev. Fluid Mech., 2015, vol. 47, pp. 507--538. DOI: https://doi.org/10.1146/annurev-fluid-010814-014651

[6] Fitt B.D.L., McCartney H.A., Walkalate P. The role of rain in dispersal of pathogen inoculum. Annu. Rev. Phytopathol., 1989, vol. 27, pp. 241--270.DOI: https://doi.org/10.1146/annurev.py.27.090189.001325

[7] Bhagat R.B., Wykes M.S.D., Dalziel S.B., et al. Effects of ventilation on the indoor spread of COVID-19. J. Fluid Mech., 2020, vol. 903, art. F1. DOI: https://doi.org/10.1017/jfm.2020.720

[8] Knudsen V.O., Alford R.S., Emling J.W. Underwater ambient noise. J. Marine Res., 1948, vol. 7, no. 3, pp. 410--428.

[9] Bjorno L. Underwater rain noise: sources, spectra and interpretations. J. Phys. IV France, 1994, vol. 4, no. 5, pp. C5-1023--C5-1030. DOI: https://doi.org/10.1051/jp4:19945225

[10] Pumphrey H.C., Crum L.A., Jensen L.B., et al. Underwater sound produced by individual drop impacts and rainfall. J. Acoust. Soc. Am., 1989, vol. 85, iss. 4, pp. 1518--1526. DOI: https://doi.org/10.1121/1.397353

[11] Crum L.A., Pumphrey H.C., Roy R.A., et al. The underwater sound produced by impacting snowflakes. J. Acoust. Soc. Am., 1999, vol. 106, iss. 4, pp. 1765--1770. DOI: https://doi.org/10.1121/1.427925

[12] Ma B.B., Nystuen J.A., Lien R.-C. Prediction of underwater sound levels from rain and wind. J. Acoust. Soc. Am., 2005, vol. 117, iss. 6, pp. 3555--3566. DOI: https://doi.org/10.1121/1.1910283

[13] Kathiravelu G., Lucke T., Nichols P. Rain drop measurement techniques: a review. Water, 2016, vol. 8, iss. 1, art. 29. DOI: https://doi.org/10.3390/w8010029

[14] Чашечкин Ю.Д. Пакеты капиллярных и акустических волн импакта капли. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки, 2021, № 1 (94), с. 73--91. DOI: http://dx.doi.org/10.18698/1812-3368-2021-1-73-91

[15] Howe M.S., Hagen N.A. On the impact noise of a drop falling on water. J. Sound Vib., 2011, vol. 330, iss. 4, pp. 625--635. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jsv.2010.08.038

[16] Li E.Q., Thoraval M.-J., Marston J.O., et al. Early azimuthal instability during drop impact. J. Fluid Mech., 2018, vol. 848, pp. 821--835. DOI: https://doi.org/10.1017/jfm.2018.383

[17] Чашечкин Ю.Д., Ильиных А.Ю. Распад капли на отдельные волокна на границе области контакта с принимающей жидкостью. Доклады РАН. Физика, Технические науки, 2021, т. 497, № 1, c. 31--35. DOI: https://doi.org/10.31857/S2686740021020139

[18] Чашечкин Ю.Д. Визуализация тонкой структуры возмущений поверхности жидкости течениями, вызванными упавшей каплей. Прикладная математика и механика, 2019, т. 83, № 3, с. 403--412. DOI: https://doi.org/10.1134/S0032823519030032

[19] Чашечкин Ю.Д., Ильиных А.Ю. Задержка формирования каверны в интрузивном режиме слияния свободно падающей капли с принимающей жидкостью. Доклады РАН. Физика, Технические науки, 2021, т. 496, № 1, с. 45--50. DOI: https://doi.org/10.31857/S268674002101003X

[20] Чашечкин Ю.Д. Дифференциальная механика жидкостей: согласованные аналитические, численные и лабораторные модели стратифицированных течений. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки, 2014, № 6 (57), с. 67--95.

[21] Маленков Г.Г. Структура и динамика жидкой воды. Журнал структурной химии, 2006, т. 47, № S7, с. 5--35.

[22] Chashechkin Yu.D. Foundations of engineering mathematics applied for fluid flows. Axioms, 2021, vol. 10, no. 4, art. 286. DOI: https://doi.org/10.3390/axioms10040286

[23] Гидрофизический комплекс для моделирования гидродинамических процессов в окружающей среде и их воздействия на подводные технические объекты, а также распространения примесей в океане и атмосфере. ipmnet.ru: веб-сайт. URL: http://www.ipmnet.ru/uniqequip/gfk/#equip (дата обращения: 15.07.2021).