Харкевич А.А. - Автоколебания (1107605), страница 19

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 19)

Из приведенного описания процесса видно, что язычок работает как клапан, управляемый со стороны колебательной г) Интересно отметить, что новые необыгранные трубы «жестчеж на ннх трудно играть. Со временем труба обыгрывается. Дело заключается в том, что с течением времени на внутренних стенках трубы откладывается слой окислов. Затухание трубы возрастает н резонанс становится менее острым. Следовательно, легче вызвать небольшие изменения частоты. Понятно, что обыгрывание можно заменить предварительной обработкой внутренних стенок трубы.

Эти подробности могут показаться излишними. Однако они мало известны, а между тем представляют несомненный физический интерес. 20. АитоколеБАния В тРуБАх ~оз системы, т. е. со стороны трубы. В этом и состоит механизм обратной связи в рассматриваемой системе. Можно отметить еще следующее обстоятельство. Если бы колебания воздуха в трубе происходилн без потерь, то давление в начале трубы по окончании вышеописанного цикла было бы в точности равно первоначальному давлению, т. е.

давлению, развиваемому источником сжатого воздуха. В таком случае даже при. открытом входе в трубу сжатый воздух в нее поступать не будет, так как внутреннее давление равно внешнему. В трубе происходили бы при таких условиях незатухающие свободные колебания. Но в действительности имеются потери, и весьма значительные, в частности потери на звукоизлучение. Поэтому импульсы ослабляются, и получаемое к концу цикла внутреннее давление меньше внешнего. В результате этого в трубу поступает при открытии язычка свежая порция сжатого воздуха, доводящая давление в импульсе сжатия до первоначального значения.

Таким образом происходит автоматическое поддержание энергетического баланса. Прн повышении внешнего давления возрастает, естественно, мощность колебаний. В более тонкие детали явлений мы вдаваться не будем, так как нам предстоит рассмотреть еще ри ряд механизмов самовозбуждения. Заканчивая описание язычкового механизма, упомянем еще о том, что точно такое же устройство применяется в пневматических сигнальных приспособлениях, например в автомобильных гудках (в настоящее время вытесненных электрическими) и в мощных сигнальных аппаратах, устанавливаемых на побережье в качестве звуковых маяков. Обратимся теперь к классической безъязычковой органной трубе. Ве устройство изображено на рис.

1 1 2. Сжатый воздух поступает в камеру, выходное отверстие которой имеет форму сравнительно узкой щели, Струя воздуха, выходящая нз щели, попадает на клиновидно скошенную часть стенки трубы. Органная труба являлась издавна — за недостатком других объектов — предметом многочисленных исследований. В новейшее же время, когда как раз и теория и экспериментальная 104 5 20. ьвтоколявлния в тгхвьх техника достигли высокой степени развития, интерес к органной трубе почти совсем угас. Поэтому наши сведения о явлениях в органной трубе основываются на сравнительно старых исследованиях.

Господствующие представления о механизме звукообразования следует считать сомнительными. Сущность втих представлений состоит в том, что звук возбуждается посредством так называемых клиновых тонов, возникающих при попадании струи воздуха на клин.

Механизм возникновения клиновых тонов связан с вихреобразованием (о клиновых тонах и вихрях подробнее говорится в э 21), Экспериментальным подтверждением изложенной точки зрения является то, что если вдувать в трубу дым, то при стробоскопическом наблюдении ясно видны образующиеся вихри, Картина вихреобразования запечатлена на многочисленных фотографиях; их можно найти в любом более старом учебнике акустики, в котором еще рассматриваются органные трубы, В последующем изложении принята другая точка зрения. Она состоит в том, что хотя вихри и возникают — отрицать это не приходится, — но их образование есть побочное явление, не определяющее механизм возбуждения трубы. Основной же механизм представляется в следующем виде.

Предположим, что в начальный момент в результате вдувания воздуха в начале трубы возникает импульс сжатия. Этот импульс побежит к открытому концу трубы и, отразившись от него, вернется в виде импульса разрежения. Когда импульс разрежения достигнет начала трубы, то давление в начале трубы станет меньше внешнего атмосферного давления. Под действием разности давлений струя воздуха, вытекающая из щели, отклонится внутрь трубы и создаст в ней повышенное давление. В результате этого разность давлений изменит знак и струя отклонится наружу. В то же время новый импульс сжатия побежит по трубе.

Один цикл совершается за время пробега импульса вдоль трубы в обоих направлениях. Так оно и должно быть, так как в данном случае мы имеем дело с трубой, открытой с двух концов. Если труба закрыта на удаленном конце (такие закрытые трубы также применяются в органах), то описание хода явлений соответственно изменяется. Именно, первый импульс сжатия возвращается после отражения от закрытого конца трубы также в виде импульса сжатия, 105 й 20. ьвтоколквлния в тгквлх Возникающая разность давлений отклоняет струю наружу.

Отразившись от открытого конца, импульс снова пускается в путь в виде импульса разрежения. После нового отражения от закрытого конца импульс разрежения возвращается опять к началу трубы. В этот момент происходит втягивание струи внутрь трубы и кладется начало следующему циклу. Таким образом, в случае закрытой трубы продолжительность цикла равна учетверенному времени пробега импульсом длины трубы в один конец.

Последовательность явлений иллюстрируется рнс. 113, на котором импульсы сжатия и разрежения обозна- 1'ис. 113. Рнс. !14. чены соответственно знаками (+) и ( — ). Итак, истекающая из щели струя рассматривается как клапан, управляемый со стороны трубы. Механизм обратной связи совершенно ясен. Специальные опыты, которые здесь по недостатку места не описываются, показывают, что струя действительно чрезвычайно чувствительна к боковому напору и заметно изменяет свое направление при самых малых разностях давлений по обе стороны струи. Заметим попутно, что описание явлений нисколько не изменилось бы, если бы мы видоизменили устройство трубы, снабдив ее самым настоящим клапаном в виде подвижного язычка, как приблизительно показано на рис.

114. Рассмотрим еще один механизм возбуждения автоколебаний в трубе. В 1939 году Б. П. Константинов произвел в Научноисследовательском институте музыкальной промышленности чрезвычайно зффектный опыт. Он создавал в открытой на свободном конце трубе вынужденные колебания при помощи 106 20. АвтоколеБАния В тгувАх обычной сирены, вставленной в другой конец трубы. По мере повышения давления высота звука, естественно, повышалась, пока не достигалась высота собственного тона трубы. При дальнейшем повышении давления высота звука, т. е. частота колебаний, оставалась неизменной; повышение давления вызывало лишь увеличение мощности колебаний.

Это явление трактовалось тогда как стабилизация сирены вследствие захватывания. По существу же описанное устройство представляет собою типичную автоколебательиую систему. Разберем ее действие. Рис. 115. Сирена состоит из двух дисков — статора и ротора,— снабженных одинаковым числом косо просверленных отверстий (рис. 115). Эти отверстия играют роль лопаток турбины, так что сирена представляет собою не что иное, как миниатюрную воздушную турбину. Но отверстия статора и ротора сирены играют еще и другую роль: они прерывают воздушную струю, проходящую через сирену. Воздух проходит через сирену, когда отверстия ротора и статора совпадают.

Когда же при повороте ротора его отверстия окажутся против промежутков между отверстиями статора, прохождение воздуха прекратится. Таким образом, при вращении ротора сирены через нее проходит прерывистая (модулированная) струя воздуха. Частота модуляции пропорциональна числу отверстий и скорости вра* щения ротора. Последняя же тем больше, чем больше давление. Даже при неизменном давлении ротор сирены набирает скорость постепенно. Этим обусловлен всем известный воющий характер звука сирены. Итак, сирена есть клапан, управляемый вращательным движением ротора.

Рассмотрим теперь взаимоотношения сирены с примкнутой к ней трубой. Начнем с момента, когда отверстия статора и ф 20. АятоколеБАния В тРуБАх !от ротора сирены совпадают. В этот момент сжатый воздух врывается в трубу и создает в ее начале импульс сжатия. Этот импульс, отразившись от открытого конца в виде импульса разрежения, возвращается назад к сирене. Здесь он может произвести различное действие, в зависимости от того, каковы скорость вращения сирены и время пробега импульса по трубе, так как от соотношения этих величии зависит относительное расположение статора и ротора сирены к моменту возвращения импульса. Мы разберем два различных случая.

!. За время пробега импульса по трубе туда и обратно ротор поворачивается на величину шага отверстий, Другими словами, к моменту прибытия отраженного импульса отверстия ротора и статора совпадают. При этом для вращения ротора сирены создаются благоприятные условия, так как вследствие разрежения внутри трубы рабочая разность давлений, приводящая ротор во вращение, больше, чем если бы разрежения не было. Таким образом, при описанных условиях реакция со стороны трубы создает дополнительный момент, ускоряющий вращение ротора сирены.

2. За время пробега импульса в оба конца ротор сирены поворачивается на половину шага, так что отраженный импульс встречает закрытый конец. Не произведя никакого действия, импульс отражается, бежит к открытому концу, вновь отражается и возвращается вновь в виде импульса сжатия. Теперь он застает отверстия совпавшими и проход для воздуха открытым. Но так как давление внутри трубы повышено, то рабочая разность давлений меньше, чем при отсутствии колебаний.

Характеристики

Список файлов книги