مستخدم:Ss26710503/Physics of whistles
إن الصافرة هي جهاز يصدر صوتًا من الهوتء المنفاخ. النظرية الفيزيائية لعملية صنع الصوت هي مثال على تطبيق نظرية ديناميكا الموائع . معرفة الهندسة والأبعاد وخصائص السوائل يمكن أن تسمح بالتنبؤ بخصائص الصافرة. المبادئ ذات الصلة بعملية الصافرة لها أيضًا تطبيقات في مناطقعدة منها قياس تدفق السوائل.
الأنواع[عدل]
أشار ويلسون وآخرون ، في دراستهم للصفير البشري إلى أهمية تضمين التماثل أوالتباين في التدفق غير المستقر بالإضافة إلى فئات التغذية المرتدة المدرجة أدناه. نظرًا للعلاقة الوثيقة بين تناظر التدفق وحقل الصوت المتولد ، تم تضمين مفهومهم هنا كجزء من وصف مصدر الصوت (أحادي القطب – متماثل وثنائي القطب – غير متماثل).
صفارة الاحتكار[عدل]
تسمى الصافرات التي تولد صوتًا من خلال تقلبات تدفق الكتلة عبر الحدود مصادر شبيهة بالاحادية. الشكل على اليمين هو مثال على كرة صغيرة يتأرجح حجمها. ستظهر أي حدود ثابتة عشوائية مرسومة حول الكرة تدفقًا صافًا للكتلة عبرها. إذا كان المجال صغيرًا بما يكفي بالنسبة لطول موجة الصوت التي ينبعث منها ، فيمكن أن يطلق عليه نقطة أحادية. بالنسبة لهذا النوع من المصدر ، ينبعث الصوت شعاعيًا ، لذا فإن مجال الصوت هو نفسه في كل اتجاه ويتحلل مع المربع العكسي للمسافة. صفارات حقيقية ليست سوى تقريبات لهذا النموذج المثالي. معظمها لها حدود حولها مثل نغمة الثقب الموضحة أدناه. ومع ذلك ، يمكن تعلم الكثير عن الصافرات مع الشكل المفيد لمعادلة قوة الصوت للاحتكار. باستخدام التعاريف أدناه ، يمكن التعبير عنها على النحو
تعتبر المتغيرات U و L مميزة للمصدر ، واختيارهم الصحيح مهم.
تسمى الصافرات التي تولد الصوت من خلال تقلبات الزخم أو القوة التي تمارس على الوسط المحيط بمصادر تشبه ثنائي القطب. الشكل الموجود على اليمين هو مثال على كرة صلبة صغيرة تتحرك ذهابًا وإيابًا في اتجاه معين. إذا كان المجال صغيرًا فيما يتعلق بطول موجة الصوت المنبعث ، فيمكن تسميته ثنائي القطب النقطي. يجب تطبيق القوة على الكرة في اتجاه معين لتحريكها. يتم ضغط الوسط المحيط في اتجاه الحركة لإشعاع الصوت ، ولكن الوسط في الزوايا اليمنى ينزلق عبر المجال ولا يتم ضغطه.
وينتج عن ذلك مجال صوت غير منتظم ، على عكس صافرة الاحتكار. صفارات حقيقية ليست سوى تقريبات لهذا النموذج المثالي. على الرغم من أن شوكات التوليف ليست صفارات ، فإنها تخلق مجالات صوت قريبة جدًا من نموذج ثنائي القطب المثالي. ومع ذلك ، يمكن تعلم الكثير عن الصافرات مع الشكل المفيد لمعادلة قوة الصوت لثنائي القطب. باستخدام التعاريف أدناه ، يمكن التعبير عنها على النحو
مرة أخرى ، يجب اختيار U و L بشكل صحيح.
فئات الملاحظات[عدل]
تعتمد صفارات الديناميكا الهوائية على عدم استقرار التدفقات وبعض الآليات في اتجاه المصب لإعادة الاضطراب إلى الأصل لمواصلة عدم الاستقرار. هناك العديد من الطرق التي يمكن أن تحدث الملاحظات. [1]
الفئة الأولى[عدل]
الصوت من صافرة الفئة الأولى هو في المقام الأول ناتج ثانوي لحركة المصدر. [1] في كل حالة ، يوجد رد فعل متوسط للوسط على المصدر (مقاومة مقاومة ورد فعل). أحد الأمثلة على رد الفعل الضعيف هو جسم معدني مهتز في الهواء. تختلف الكثافات بشكل كبير بحيث يتم تجاهل رد الفعل في كثير من الأحيان. يمكن أن تكون ردود الفعل الخلفية للهواء على مصدر الهواء أو الماء على مصدر المياه مختلفة. في كثير من الحالات ، على سبيل المثال ، الطائرات المضطربة ، يكون الصوت الناتج عشوائيًا ، ومن الملائم اعتبار الصوت مجرد منتج ثانوي للتدفق. في هذه الفئة ، يكون رد الفعل الخلفي غير كافٍ للتحكم بقوة في حركة المصدر ، لذا فإن الصفارات ليست في هذه الفئة.
الفئة الثانية[عدل]
ان رد الفعل الوسيط هو محدد لحركة المصدر. [1] في العديد من الحالات المهمة ، يكون التفكير الخطي (سبب صغير = تأثير صغير) هو مغالطة. يمكن أن تتسبب حركة السوائل غير المستقرة أو الصوت الناتج عنها في التغذية المرتدة للمصدر والتحكم فيه ، مثل صوت التعليقات الصوتية . المتطلبات الأساسية لنظام التحكم في التغذية المرتدة هي:
- مصدر قوة ثابتة.
- آلية تضخيم يمكنها تحويل الطاقة الثابتة إلى طاقة متغيرة بمرور الوقت ؛
- اضطراب ، يزود التذبذبات التي يتم تضخيمها ؛
- وسيلة لتوليد الصوت أو حركة السوائل التذبذبية الأخرى ؛
- وسيلة للتغذية المرتدة للحركة التذبذبية كإزعاج لمدخل مكبر الصوت.
الصف الأول[عدل]
ردود الفعل غير قابلة للضغط في الأساس ؛ سرعة الصوت ، على الرغم من أنها محدودة ، كبيرة بما فيه الكفاية بحيث يمكن اعتبارها لانهائية. [1] يمكن أن يسمى هذا الإجراء تغذية مرتدة في المجال القريب أو الهيدروديناميكي. هناك عدد من أجهزة الفئة الأولى. ردود الفعل التي تتسبب في اهتزاز العصا في مجرى مائي ، أو إشارة إلى موجة ، ترجع إلى ردود الفعل الهيدروديناميكية.
الفئة الثانية[عدل]
ردود الفعل قابلة للانضغاط ولا تعتمد على سرعة الصوت. [1] قد يسمى هذا الإجراء تغذية مرتدة شبه ميدانية وشبه قابلة للانضغاط. من الأمثلة المعروفة هي نغمة الثقب (الموضحة أدناه) ، حيث تكون مسافة التغذية المرتدة لموجة (صوت) قابلة للانضغاط صغيرة جدًا مقارنة بطول موجة الصوت.
الفئة الثالثة[عدل]
ردود الفعل قابلة للانضغاط وتعتمد على سرعة الصوت. [1] يمكن أن يسمى هذا تغذية راجعة بعيدة أو صوتية. يمكن أن تكون مسافة التغذية المرتدة لموجة قابلة للانضغاط جزءًا ملموسًا من الطول الموجي للصوت. مثال على ذلك هو الفلوت.
يوضح الشكل الموجود على اليمين مخططًا تخطيطيًا لآليات التغذية الراجعة هذه. تعمل جميع صفارات الديناميكا الهوائية تحت أحد الفئات.
هناك حلقات تغذية مرتدة فعل مرتبطة بالعديد من عمليات الصافرة ، وهي غير خطية. [2] بسبب عدم الخطية ، يمكن أن يكون هناك العديد من الشروط الممكنة لسرعة تدفق أو هندسة معينة. يتم تحديد أي من هذه المهيمن من خلال كسب التدفق غير المستقر عند تردد معين وما إذا كانت التغذية المرتدة بناءة أو مدمرة.
استخدمت الدراسات المبكرة مرحلة المصطلح لوصف الحالات المحتملة للتغذية الراجعة كما هو موضح بشكل تخطيطي في الشكل الموجود على اليمين. مع زيادة سرعة التدفق ( رقم رينولدز ، إعادة) ، يرتفع التردد ببطء ( رقم Strouhal الثابت تقريبًا ، St) ولكن بعد ذلك يقفز التردد فجأة إلى مرحلة أعلى. مع انخفاض سرعة التدفق لاحقًا ، ينخفض التردد ببطء ، ثم يقفز فجأة إلى مرحلة أقل. يسمى هذا النمط بحلقة التباطؤ .
في أي سرعة تدفق معينة ، من الممكن أن تكون إحدى الحلقات الكثيرة مسيطرة ، اعتمادًا على كيفيةالوصول هذه السرعة. في عدد من الصفاراتالمذكورة هنا ، ترتبط المرحلة الأولى بتطوير دوامة واحدة في المسافة بين بدء عدم استقرار التدفق وبدء إشارة التغذية المرتدة.
ترتبط المراحل الأعلى بمزيد من الدوامات في تلك المسافة ، ملمحًا إلى أن هذه المسافة يمكن أن تكون بعدًا مميزًا مهمًا. في عدة صفارات ، تم تحديد ثلاث مراحل (نغمة الحافة). يؤدي النفخ بقوة في بعض آلات النفخ الموسيقية إلى القفز من المرحلة الأولى إلى المرحلة الثانية ؛ وهذا ما يسمى بالنفخ .
عدم استقرار التدفق هو محرك الصفارات. إنه يحول الطاقة الثابتة إلى طاقة تعتمد على الوقت. إن تحويل التدفق الصفحي إلى تدفق مضطرب هو مثال معروف جيدًا. تتسبب الاضطرابات الصغيرة في التدفق الصفحي في الانتقال.
يظهر مثال في الشكل على اليمين مع نفاثة مائية. [3] تضخم الطائرة النفاثة ثنائية الأبعاد الاضطرابات الصغيرة في الفتحة لتوليد شارع دوامة . لهذه الحالة ، تم رسم سرعة التدفق ، من حيث عدد رينولدز ، مقابل تردد الاضطراب ، من حيث عدد Strouhal لمجموعة متنوعة من اتساع الاضطراب للكشف عن منطقة عدم الاستقرار كما هو موضح في الشكل على اليسار. تمثل قيمة D في الشكل نسبة إزاحة الاضطراب الجانبي إلى عرض الفوهة ؛ كانت الاضطرابات دقيقة.
- ^ أ ب ت ث ج ح Chanaud، Robert C. (يناير 1970). "Aerodynamic Whistles". Scientific American.
- ^ Powell، Alan (1961). "On the Edgetone". Acoustical Society of America (ASA). ج. 33 ع. 4: 395–409. DOI:10.1121/1.1908677. ISSN:0001-4966.
- ^ Chanaud, R. C., MS Thesis, University of California, Los Angeles, 1960.