Акустика движущихся сред

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

Движение среды влияет на характер распространения звуковых волн, их излучение и прием. В движущейся среде скорость распространения волнового фронта равна , где c - 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. 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 различных направлений. При движении источника в неподвижной среде к эффектам, указанным выше, добавляется Доплера эффект. Пространственно-неоднородные течения в среде вызывают рефракцию звука. Так, например, в приземном слое атмосферы скорость ветра возрастает с высотой (рис.), 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 нее звуковых волн на неоднородностях скорости и флуктуации их амплитуд и фаз.

При взаимодействии с вихревыми течениями, образующимися при отрывном обтекании твердых 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. Периодический 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. Например, интенсивность звука, порождаемого реактивной струей стартовой ступени ракеты, достигает 150 дБ на расстоянии 100 м. Прикладные проблемы акустики движущихся сред, связанные с аэродинамической генерацией звука в высокоскоростных потоках, составляют предмет аэроакустики.

Основные уравнения акустики движущихся сред 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.