|
|
|
| Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии | |
Стартовая страница |
О системе |
Технические требования |
Синтез |
Обучающий модуль |
Справка по системе |
Контакты |
 | Диск Рэлея |
 | |
Анимация
Описание
Принцип действия диска Рэлея (ДР) основан на возникновении в поле звуковой волны вращающего момента D, действующего на плоский предмет (диск, пластинку), подвешенный на тонкой закручивающейся нити:
D = (2/3)·U 2·ρ·r3·sin2a, (1)
где r - радиус диска;
r - плотность окружающей среды;
U - колебательная скорость частиц среды;
a - угол между нормалью к поверхности диска и направлением распространения звука.
Поведение ДР в звуковой волне можно объяснить при помощи уравнения Бернулли. На рис. 1 изображены линии, по которым движутся частицы воздуха при обтекании диска постоянным воздушным потоком, - линии тока.
Характер обтекания диска Рэлея воздушным потоком
Рис. 1
Вблизи диска линии тока искривляются. Давление потока на диск в разных точках его поверхности зависит от скорости, которую в этих точках имеют частицы воздуха. Согласно уравнению Бернулли наибольшее давление будет в тех точках диска, где происходит полная остановка течения. Таких точек на диске две. В этих точках появляются силы, показанные на рис. 1 стрелками, которые образуют вращающий момент, стремящийся повернуть диск «лицом к потоку». По этой же причине лист бумаги, выпавший из рук, при своем падении стремится повернуться так, чтобы его поверхность стала перпендикулярной к направлению движения.
Из рис. 1 также видно, что если направление потока изменить на обратное, то благодаря симметрии картины линий тока вращающий момент не изменится. ДР будет стремиться повернуться в том же направлении. Поэтому, если ДР находится в переменном потоке воздуха, направление которого периодически изменяется (а такой поток имеет место при распространении звуковой волны), он будет поворачиваться так же, как и в постоянном потоке, занимая положение поперек потока.
Ключевые слова
Разделы наук
Дозвуковые течения жидкости и газа в отсутствии незакрепленных обтекаемых телАкустика
Механические колебания и волны
Применение эффекта
Как сказано выше, ДР используют для измерений колебательной скорости частиц среды и звукового давления. На основе ДР также созданы более сложные звукометрические системы различного назначения. В частности, при исследовании пространственного распределения интенсивности звука применяют массив маленьких ДР, например, укрепленных на сетке из стеклянной проволоки. Эффект ДР может быть использован для визуализации звуковых изображений. В устройстве Польмана (Pohlman R.) использована суспензия мельчайших частиц алюминия в ксилоле. Этой суспензией наполнена плоская кювета, одна сторона которой сделана из звукопроницаемой медной фольги, а другая представляет собой плоскую стеклянную пластину, рис. 3.
Принцип действия ультразвуковой ячейки для получения изображения
Рис. 3
Обозначения:
1 - ультразвук;
2 - диффузно - отраженный свет;
3 - зеркально отраженный свет;
4 - источник света.
При падении ультразвуковой волны на кювету алюминиевые частицы ориентируются в местах волнового возмущения параллельно фронту волны. При освещении суспензии через стеклянное окно ориентированные частицы дают зеркальное отражение света.
Реализации эффекта
ДР представляет собой небольшой легкий слюдяной кружок (его диаметр существенно меньше длины звуковой волны), подвешенный на тонкой кварцевой нити. Когда на диск падают звуковые волны, он поворачивается, стремясь занять положение, перпендикулярное направлению распространения этих волн. Техническая реализация представлена на рис. 2.
Диск Рэлея (общий вид)
Рис. 2
Вращающий момент D (см. формулу 1), измеряемый в НЧм, зависит от упругих свойств нити подвеса и должен быть найден экспериментально, например, при помощи крутильных колебаний.
Основное преимущество ДР как индикатора колебательной скорости U, которую находят по формуле (1), является независимость его показаний от частоты, сохраняющаяся до тех пор, пока размеры диска малы по сравнению с длиной звуковой волны.
Литература
1. Бергман Л. Ультразвук. - М.: Изд. иностр. лит., 1957. - С.726.
2. Горелик Г.С. Колебания. - М.: Гос. изд-во тех.-теор. лит., 1950. - С.551.
3. Харкевич А.А. Автоколебания. - М., 1954.
| Стартовая страница О системе Технические требования Синтез Обучающий модуль Справка по системе Контакты | |
 |
|
| Copyright © 2008 РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина | |