Визуализация картины течения импакта свободно падающей капли при генерации звуковых пакетов


Просмотр статьи
PDF, 1,7 МБ

Visualization of the flow pattern of the impact of a freely falling drop during the generation of sound packets

The merging of a falling drop with a water surface gives rise to a series of hydrodynamic phenomena that differ in time and space. Among them, fast unsteady flows are distinguished, during which deformed underwater caverns and gas cavities separated from them are formed. When the surface of the detached gas cavity closes, the formed bubble performs volumetric oscillations, which, in turn, generate short acoustic packets propagating under water and in an air. Experimental data are presented in which the sequence of formation of cavities is traced, the processes of formation and detachment of bubbles and the accompanying acoustic signals are identified and detailed. In the composition of the sound packets recorded in the water and air environments, there are differences associated with the characteristics of propagation (transient damping at the water-air boundary) and the influence of the transfer functions of the hydrophone and microphone. In the case of detachment, reattachment, and reseparation of the air bubble from successive caverns, the frequency of the emitted signal increases. Despite the highly irregular shape of the radiating bubbles, the emission frequency remains constant, which indicates the volume of the bubble as the governing parameter of acoustic emission.

drop, collision, cavity, sound, radiation

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.23.5.1011


Том 23, выпуск 5, 2022 год



Слияние падающей капли с водной поверхностью порождает серию гидродинамических явлений, различающихся временными и пространственными масштабами. Среди них выделяются быстрые нестационарные течения, в ходе которых формируются деформированные подводные каверны и отделяющиеся от них газовые полости. Когда поверхность отрывающейся газовой полости замыкается, сформировавшийся пузырек начинает совершать объемные осцилляции, которые, в свою очередь, генерируют короткие акустические пакеты, распространяющиеся под водой и в воздухе. Представлены экспериментальные данные, в которых прослежена последовательность формирования каверн, выделены и детализированы процессы образования и отрыва пузырей и сопровождающие их акустические сигналы. В составе звуковых пакетов, регистрируемых в водной и воздушной среде, отмечены различия, связанные с особенностями распространения (переходное затухание на границе вода-воздух) и влиянием передаточных функций гидрофона и микрофона. В случае отрыва, переприсоединения и повторного отделения воздушного пузыря от последовательных каверн частота излучаемого сигнала возрастает. Несмотря на крайне нерегулярную форму излучающих пузырей, частота излучения остается постоянной, что указывает на объем пузыря как определяющий параметр акустического излучения.

капля, столкновение, каверна, звук, излучение

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.23.5.1011


Том 23, выпуск 5, 2022 год



1. Worthington, A.M.; Cole, R.S. Impact with a liquid surface, studied by the aid of instantaneous photography. Phil. Trans. R. Soc. Lond. A. 1897. Vol. 189. pp. 137–148.
2. Mallock H. R. A. Sounds produced by drops falling on water. Proc. R. Soc. Lond. Vol. A95. 1918. pp. 138–143.
3. Jones A.T. The sound of splashes. Science. 1920. Vol. 52. pp. 295-296.
4. Minnaert M. On musical air bubbles and the sounds of running water. Phil. Mag. 1933. Vol. 16. pp. 235-248.
5. Franz G. J. Splashes as sources of sound in liquids. J. Acoust. Soc. Am. 1959. Vol. 31. pp. 1080-1096.
6. Prosperetti A., Oguz H. N. The impact of drops on liquid surfaces and the underwater noise of rain. Ann. Rev. Fluid Mech.. 1993. Vol. 25. pp. 577-602.
7. Pumphrey, H.C., Crum, L.A., Bjorno, L. Underwater sound produced by individual drop impacts and rainfall. J. Acoust. Soc. Am. 1989. Vol. 85. pp. 1518–1526.
8. Liu S., Li Q., Shang D., Tang R., Zhang Q. Measurement of underwater acoustic energy radiated by single raindrops. Sensors. 2021. Vol. 21. pp. 2687: 1-16.
9. Kathiravelu G., Lucke T., Nichols P. Rain Drop Measurement Techniques: A Review. Water. 2016. Vol. 8. P. 29.
10. Прохоров В.Е., Чашечкин Ю.Д. Подводные и воздушные звуковые сигналы при падении капли на поверхность жидкости. Доклады Академии наук. 2012. Т. 443. № 5. С. 570–575.
11. Phillips, S., Agarwal, A. & Jordan, P. The sound produced by a dripping tap is driven by resonant oscillations of an entrapped air bubble. Sci. Rep. Vol. 8, 9515 (2018).
12. Tong Li T., Zhang A.-M, Wang S.-P. Li S., Wen-Tao Liu W.-T.. Bubble interactions and bursting behaviors near a free surface. Physics of Fluids. 2019. Vol. 31(4), 042104.
13. Gillot, G.; Derec, C.; Genevaux, J.-M.; Simon, L.; Benyahia, L. A new insight on a mechanism of airborne and underwater sound of a drop impacting a liquid surface. Physics of Fluids. 2020. Vol 32(6), 062004.
14. Wang A., Kuan C., Tsai P. Do we understand the bubble formation by a single drop impacting upon liquid surface? Physycs of Fluids. 2013. Vol. 25, 101702.
15. Прохоров В.Е., Чашечкин Ю.Д. Генерация звука при падении капли на поверхность воды. Акустический журнал. 2011. Т. 57. № 6. С. 792-803.
16. Strutt J.W. On the capillary phenomena of jets. Proc. R. Soc. Lond. 1879. Vol. 29. pp. 71 –97.
17. Plesset M.S. The Dynamics of Cavitation Bubbles. J. Appl. Mech. 1949. Vol. 16(3). pp. 277-282.
18. Strasberg M. Gas bubbles as sources of sound in liquids. J. Acoust. Soc. Am. 1956. Vol. 28(1). pp 20-26.
19. Prohorov V.E. Acoustics of oscillating bubble when a drop hits the water surface. Physics of Fluids. 2021. Vol. 33(8):083314.
20. Чашечкин Ю.Д. Пакеты капиллярных и акустических волн импакта капли. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки. 2021. № 1 (94). С. 73–92.
21. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Механика сплошных сред. Гидродинамика и теория упругости. М.: ОГИЗ. ГИТТЛ. 1944. 624 с.
22. Chashechkin Y.D. Foundations of engineering mathematics applied for fluid flows. Axioms. 2021. Vol. 10. 286.
23. Feistel R., Harvey A. H., and Pawlowicz R. (2016). Advisory Note No. 6: Relationship between various IAPWS documents and the International Thermodynamic Equation of Seawater - 2010 (TEOS-10). The International Association for the Properties of Water and Steam, Dresden, Germany, September 2016, International Association for the Properties of Water and Steam: 1- 5 http://www.iapws.org/relguide/Advise6.pdf.
24. Эйзенберг Д., Кауцман В. Структура и свойства воды. Л.: Гидрометеоиздат, 1975. 280 с.
25. Гиббс Дж. В. О равновесии гетерогенных веществ, Термодинамические работы. ГИТТЛ. М.–Л-д. 1950.
26. Li E. Q., Thoraval M.-J., Marston J. O., Thoroddsen S. T. Early azimuthal instability during drop impact. J. Fluid Mech. 2018. V. 848. P. 821–835. DOI:10.1017/jfm.2018.383 821.
27. Чашечкин Ю.Д., Ильиных А.Ю. Распад капли на отдельные волокна на границе области контакта с принимающей жидкостью. Доклады Российской академии наук. Физика, Технические науки. 2021. T. 497. C. 31–35.
28. Кистович А.В., Чашечкин Ю.Д. Динамика гравитационно-капиллярных волн на поверхности неоднородно нагретой жидкости. Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2007. Т. 43. № 1. С. 109-116.
29. Agbaglah G., Thoraval M., Thoroddsen S., Zhang L, Fezzaa K. and Deegan R. Drop impact into a deep pool: vortex shedding and jet formation. J. Fluid Mech. 2015. Vol. 764. pp. R1-12.
30. Чашечкин Ю.Д., Ильиных А.Ю. Множественные выбросы брызг при ударе капли. Доклады РАН. 2020. Т. 494. C. 42–46.
31. Chashechkin Yu. D., Ochirov A.m A. Periodic waves and ligaments on the surface of a viscous exponentially stratified fluid in a uniform gravity field. Axioms. 2022. Vol. 11(8). 402.
32. Гидрофизический комплекс для моделирования гидродинамических процессов в окружающей среде и их воздействия на подводные технические объекты, а также распространения примесей в океане и атмосфере (ГФК ИПМех РАН). https://ipmnet.ru/uniqequip/gfk/. 2022.
33. Чашечкин Ю.Д., Прохоров В.Е. Структура первичного звукового сигнала при столкновении свободно падающей капли с поверхностью воды. Журн. эксп. теор. физ. 2016. Т. 149. вып. 4. С. 864–875.
34. Чашечкин Ю.Д., Ильиных А.Ю. Задержка формирования каверны в интрузивном режиме слияния свободно падающей капли с принимающей жидкостью. Доклады РАН. 2021. Т. 496. С. 34–39.