低速物体入水声特性研究

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物体入水噪声是物体从空气穿透水面进入水介质时,在冲击点水面下形成的瞬态噪声信号,不同的噪声信号反映了不同入水物体的特性。自然界降雨噪声也属于物体入水噪声,且单雨滴的噪声特性能反映降雨噪声的特性,而目前对于物体入水噪声能量的研究较少,因此本文选择单雨滴和实心钢球这两种较为典型的流体和刚体,对两者入水产生的瞬态噪声的声学特性进行研究。为了保证实验结果的可靠性,本文设计了两种分别用于发射钢球和产生单个雨滴的装置,能保证钢球和雨滴无旋地垂直落入水中。在保持其他条件不变的情况下,通过改变单雨滴的粒径、钢球的粒径和下落高度,对钢球和雨滴低速入水的入水瞬态声分别进行测量,分析两者入水声的特性,对钢球和单雨滴的初始冲击声和气泡脉动声的声压幅值和频率范围进行了分析,并对两者气泡脉动声的频率范围随时间收缩进行了解释,对冲击声和气泡脉动声的声能量及声能转化效率进行计算。为了探究物体入水声的一般规律,对钢球入水瞬态声和单雨滴入水瞬态声的特性进行了比较,总结出了两者的异同点,另外,本文还对钢球入水噪声的“寂静区”扰动信号进行了分析,发现其频率与钢球的粒径成反比,推断成因是钢球入水时产生的大气泡脉动辐射。研究结果表明:微雨滴和中雨滴不产生声信号,小雨滴不产生冲击声,100%产生第一类气泡,大雨滴和极大雨滴每次冲击水面都产生冲击声,并且概率性的产生第二,三类气泡脉动声,其能量与冲击声大致相当,这些测量结果与经典文献中实验测量结果一致;钢球每次冲击水面都产生冲击声和气泡脉动声,且气泡声能量远大于冲击声能量。钢球的声能转化效率略高于与其体积相近的雨滴。当粒径一定时,钢球和雨滴的气泡脉动声频率范围都随时间增加而变小。本文还研究了钢球入水时动能和声能量的关系,发现本文实验条件下,钢球入水时动能和声能量近似为线性关系。
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