О возможном механизме автоколебаний в струйных гидродинамических излучателях с развитой кавитацией

Abstract

Подробно проанализирована работа струйного противоточного гидродинамического излучателя звука с развитой кавитацией внутри струйной оболочки. Обсуждены его основные гидродинамические и акустические свойства. Выдвинута гипотеза о возможном физическом механизме, порождающем автоколебания струйной оболочки излучателя. Предложена простейшая акустическая модель струйной оболочки и решена граничная задача об излучении ей звуковых волн. Анализ полученного решения позволил установить, что в рабочей зоне излучателя образуется своеобразная резонансная система, которая состоит из внутренней упругой кавитирующей среды, самой струйной оболочки и внешней присоединенной массы жидкости и обеспечивает обратную акустическую связь, навязывая струйной оболочке автоколебания со стабильной частотой. Показано, что экспериментально наблюдаемое парадоксальное снижение частоты излучаемого звука с ростом скорости струи в сопле связано с увеличением податливости внутренней кавитирующей среды за счет возрастания в ней доли парогазовых микропузырьков. Даны количественные оценки податливости, плотности и скорости звука во внутренней кавитирующей области. В частности, установлено, что последняя величина существенно ниже скорости звука в окружающей окружающей струйную оболочку жидкости.

Докладно проаналiзовано роботу струминного протиточного гiдродинамiчного випромiнювача звуку з розвинутою кавiтацiєю усерединi струминної оболонки. Обговоренi його основнi гiдродинамiчнi й акустичнi властивостi. Висунуто гiпотезу про можливий фiзичний механiзм, який породжує автоколивання струминної оболонки випромiнювача. Запропоновано найпростiшу акустичну модель струминної оболонки та розв'язано граничну задачу про випромiнювання нею звукових хвиль. Аналiз отриманого розв'язку дозволив установити, що в робочiй зонi випромiнювача утворюється своєрiдна резонансна система, яка складається з внутрiшнього пружного кавiтуючого середовища, самої струминної оболонки та зовнiшньої приєднаної маси рiдини й забезпечує зворотний акустичний зв'язок, нав'язуючи струминнiй оболонцi автоколивання зi стабiльною частотою. Показано, що парадоксальне зниження частоти випромiнюваного звуку з ростом швидкостi струменя в соплi, яке спостерiгається експериментально, пов'язане зi збiльшенням пiддатливостi внутрiшнього кавiтуючого середовища за рахунок зростання в нiй частки парогазових мiкробульбашок. Данi кiлькiснi оцiнки пiддатливостi, густини й швидкостi звуку у внутрiшнiй кавiтуючiй областi. Зокрема встановлено, що остання величина iстотно нижча за швидкiсть звуку в оточуючiй струминну оболонку рiдинi.

The paper deals with analyzing in detail the operation of a counter-flow hydrodynamic jet radiator of the sound with a developed cavitation inside the jet-shell. The basic hydrodynamic and acoustic properties of the devise are discussed. A hypothesis is offered, that illustrates the possible physical mechanism for generating self-oscillations of radiator's jet-shell. The simplest acoustic model of the jet-shell is proposed and the boundary problem on sound radiation by it is solved. The analysis of the obtained solution allows the conclusion that a specific resonant system forms inside radiator'ss working zone. The mentioned system consists of the internal compressible cavitation environment, jet-shell itself and external added mass of the liquid and provides the acoustic feed-back, imposing jet-shell's self-oscillations with stable frequency. It is shown that the paradoxical reduction of radiated sound frequency with growing jet speed in the nozzle obtained in the experiments is related with the increasing compressibility of the internal cavitation environment due to increasing share of vapor-gas microbubbles in it. The quantitative estimations of compressibility, density and sound velocity in the internal cavitation domain are offered. In particular, it is shown that the last value is essentially lower than sound velocity in the external liquid surrounding the jet-shell.