Дросселирование воздуха. Истечение воздушной струи из ресивера в атмосферу со сверхзвуковой скоростью
Эксперимент с выдуванием воздуха из малого отверстия
Для выяснения особенностей истечения воздуха из малого отверстия была собрана заново старая установка пневматического реактивного двигателя (ПРД) (см.рис. 1.)
В прошлом эксперименте значения давления обрывались на 2,5 бар, что объяснялось наличием в ресивере мембраны с предварительным давлением 2,5 бар. Это позволяло не стравливать лишний воздух на малоинтересный тогда уровень низких давлений.
Теперь же предварительное давление было стравлено из-под мембраны через клапан ресивера, тем самым сделав доступным диапазон рабочих давлений 0,5–2,5 бар в ресивере. Результаты экспериментов оформлены в виде графика (см.рис. 2)
рис. 1
Рис. 1. Схема установки для замера тяги воздушной струи ПРД из малого отверстия Ф1.5 мм.
рис. 2
Рис. 2. График развиваемой тяги из отверстия Ф1,5 мм при различных давлениях в ресивере. Синим и зелёным отображены ряды значений двух независимых экспериментов, а их почти полное совпадение говорит о высокой стабильности получаемого результата (высокая повторяемость опыта). Где-то слева графики должны будут резко загнутся и начать падать к нулю, но на имеющемся манометре с диапазоном до 10 бар. столь малые давления на нижней границе шкалы не отслеживаются.
Попытка замера температуры в сверхзвуковой струе воздуха
В процессе выдувания струи из ПРД удалось получить сильное охлаждение контактной поверхности при омывании тонкой полимерной плёнки нетормозящейся струёй воздуха, почти параллельной к плёнке (по касательной).
В результате на противоположной стороне непроницаемой зеркальной плёнки выступил конденсат в виде мутного пятна параболической форме (парабола- это форма сечение конуса плоскостью).
На зеркальной поверхности плёнки мутно белое пятно конденсата очень хорошо заметно визуально (в отличие от прозрачной плёнки).
Выпадение конденсата соответствует поверхностной температуре на плёнке ниже температуры точки росы в помещении, то есть заведомо ниже +14С для текущих условий менее 50% влажности при +22С в помещении. Возможно, что пятно даже индевело (контрастно белый цвет пятна), что соответствует температуре ниже 0С.
В тоже время при эксперименте с прозрачной плёнкой хорошо видно интенсивное выпадение конденсата из охладившейся струи воздуха (также падение ниже точки росы в струе), чему способствует вынос мелких капель из потока к плёночному изгибу за счёт сильного центростремительного ускорения.
Использование алюминиевой фольги не дало результата с отпотеванием конденсатного пятна, что связано с высокой теплопроводностью алюминия, обеспечивающим интенсивный отвод холода по металлу, без резкого падения температуры на его поверхности до точки росы.
Судя по форме пятна конденсата струя уже сильно заторможенная и распухшая по сечению до широкого конуса, а это значит, что регистрируемая температура ниже +14 С (с падением от +22С в ресивере) уже является смесью струи с окружающим воздухом в многократном отношении, а именно: оценочно 1:10, судя по росту ширины конуса приблизительно в 3 раза от исходных Ф1,5 мм.
То есть переохлаждение инициирующей струи должно было быть в те же 10 раз больше на дТ =60С и более.
Самодельная ВТР
Ранее, мне удалось получить похожий результат с падением температуры струи из самодельной ВТР на дТ=6С (с +22 до +16С).
При этом ВТР была собрана из металлического «холодного» конуса от авторучки, куска прозрачного мягкого шланга Ф 10 мм (внутренний Ф8 мм) с затычкой «горячего» конца из метчика М8. Соплом являлась медицинская игла с диаметром отверстия Ф1,2 мм (размер 16G).
Температура замерялась обычным домашним настенным градусником во внешней струе из конуса ВТР, этот же градусник показывал температуру +22С в комнате до эксперимента. Давление подачи к игле ВТР составляло около 5–6 бар на входе в иглу. Реальное давление на срезе иглы непонятно, так как сопротивление длинной тонкой иглы очень велико на сверхзвуковых скоростях.
Нижние значения давления для работы ВТР по данным производителя
Кстати, крайне интересно, что минимальное избыточное давление для работы ВТР по данным производителей заявлено как 1,4 бар (см.рис. 3)
вентиляторное
рис. 3
Рис. 3. Таблица температурных характеристик выходящих потоков воздуха из ВТР тип 3215 (Вортекс) при различных соотношениях расхода воздуха по концам трубы: Зелёным- дТ понижения в холодном конце, Белым- дТ повышения в горячем конце от температуры воздуха в ресивере.
Возможно, что данная точка определяет границу работоспособности ВТР как эффективного холодильного устройства.
Предел эффективности ВТР должен находится где-то в зоне значений давления, при котором давление в истекающей струе должно сравняться с атмосферным. При этом по СТГ температура истекающей струи будет равна ровно 200К, то есть 2/3 от исходной температуры в ресивере Т1=300К.
Исходя из этих вводных можно попытаться построить расчёт для скорости и плотности струи для каждого известного давления и силы тяги ПРД.
Состояние воздуха в ресивере описывается уравнением Клайперона-Менделеева
Р1*V1=n*R*T1
Скорость струи также описывается тем же выражением
Vc^2*m/2=z* n*R*T1
Приняв m= n*Mr, где Mr =0,029 кг/моль (для воздуха), тогда n=1 моль
Согласно СТГ рассматриваемый объём и количество вещества соответствует массе и индивидуальному объёму одной молекулы. Таким образом, количество вещества в струе (m) и в ресивере (n)- это одно и тоже количество вещества.
Одноимённые равные количества молей вещества n сокращаются, и получаем:
Vc=(2*z* R*T1/Mr)^0,5
Вывод: Скорость истечения плотной сверхзвуковой струи не должна завесить от плотности и давления в ресивере. При этом величина z-это эмпирический коэффициент, который надо получить подгоном под экспериментальные значения.
Таким экспериментальным значением является Vc=490 м/с при Т1=300К (+27С), что составляет:
Vc= Vа*1,41 при Vа=347 м/с при +27С
Расчёт показателя «z» по заданной скорости истечения
Vc=(2*z* R*T1/Mr)^0,5
При Т1=300К получаем скорость струи
Vc=(2*z*8,31×300/0,029)^0,5=490 м/с
Откуда z=490^2/(2×8,31×300/0,029)=1,396
Вполне закономерно получаем, что:
z=1,4=к
где к=1,4- это показатель адиабаты воздуха.
Вот толко надо ещё вспомнить про ⅓ энергии, сработаной в скорость молекул.
Таким образом, полна энергия газа составит величину:
Егаз= 3×1,4* n*R*T1= 4,2* n*R*T1
Вот только я нигде не встречал величину z=4,2 в формулах энергии газа в теории газодинамики.
Поверочный расчёт №1.
Граница избыточного давления Р2 определяется возможностью истечения непрерывной сверхзвуковой струи в атмосферу с поперечным давлением Ратм=1 бар, то есть при равенстве давлений в струе и окружающей атмосфере.
Состояние воздуха в ресивере описывается уравнением Клайперона-Менделеева
Р1*V1=n*R*T1
Где Р1- искомое значение (полное), V1- искомая величина, Т1=300К
Состояние воздуха в затопленной струе из тонкого сопла ВТР описывается тем же уравнением Клайперона-Менделеева
Р2*V2=n*R*T2
Где Р2=1 бар (полное), V2=1 (абстрактное значение для подсчёта отношения изменения в процессе), Т2=200К.
При этом нам известна плотность воздуха в затопленой струе q=1,17×300/200=1,755 кг/м3, то есть плотность обычного воздуха при охлаждении с 300К до 200К
Из учебника известно соотношение P2/P1=0,53 (для воздуха) (см.рис. 4)
рис. 4
Рис. 4. Фрагмент текста учебника классической термодинамики: РАЗДЕЛ V. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ИСТЕЧЕНИЯ ГАЗОВ И ПАРОВ. ПРОЦЕСС ДРОССЕЛИРОВАНИЯ https://k204.ru/books/michaylova/5.pdf
Это же значение получено экспериметально при анализе аэродинамических параметров истечения воздуха из стандартного серийного диффузора, описанного в следующей главе (см. рис.).
Интересно, что показатель «Бета-критическое» числено соответствует доле от величины скорости, максимально возможной при истечении данного газа из ЖРД при участия бесконечного сопла Лаваля.
Так по СТГ при истечении из КС ЖРД срабатывается доля ⅓=0,3333=33,33% общей внутренней энергии газа на преобразование в скорость при истечении из критического сечения камеры сгорания.
При этом в силу квадратичной функции кинетической энергии от скорости получим, что:
0,333^0,5=0,577 от Vmax
Где Vmax –это скорость газа при истечении из сопла ЖРД с бесконечным расширением сопла Лаваля в вакуумее.
Такое значение Ркр=0,574 действительно фигурирует в учебниках по ЖРД (см.рис. 5):
рис. 5
Рис. 5. Фрагмент из учебника с параметрами газа в критическом сечении КС ЖРД.
Правда, в этом учебнике никак не сходится баланс кинетической энергии струи, тяги двигателя и падения температуры в критическом сечении камеры сгорания ЖРД.
Об этом была написана целая статья, по результатам которой и выяснилось, что в критическом сечении должна достигаться скорость газового потока Vкр= 1,4*Va.
Статья про ЖРД по ссылке:
https://habr.com/ru/articles/699564/
Для ПРД с атмосферным воздухом при к=1,4:
Бета-кр= 0,528
Тогда Екин=0,528^2=0,28 или 28% от полной внутренней энергии.
Где-то в недрах газа теряется 33–28=5% общей энергии при истечении из малого отверстия ресивера в атмосферу с давлением 1 бар.
Определение тяги струи воздуха на малых давлениях (нагнетание вентилятором)
Для оценки поведения струи воздуха на низких давлениях слева от графика (см.рис. 2.) после обрыва на значениях 0,25 бар (25кПа) воспользуемся данными из области систем общеобменной гражданской вентиляции, где располагаемые давления находятся в диапазоне 5–500Па (менее 0,005 бар).
Эта область рабочих давление хорошо обеспечена экспериментальными данными для отдельных воздухоподающих устройств, так как сами сопла и их характеристики в массовых количествах используются в реальных инженерных проектах вентиляционных систем в общественных и промышленных зданий.
Так что можно поручиться за достоверность их реально замеряемых характеристик, а именно: расход воздуха, перепад давления и геометрические размеры устройств.
Далее рассмотрим динамику истекающей струи из резервуара постоянного давления (камера статического давления) на примере характеристик соплового воздухораспределителя типа 2ВДК компании российской «Арктос» (Арктика) (см.рис. 6–8)
рис. 6
Рис. 6. Страница из каталога воздухораспределителей компании «Арктика» с описанием соплового распределителя типа ВДК/ВДКР.
рис. 7
Рис. 7. Страница из каталога воздухораспределителей компании «Арктика» с геометрическими характеристиками соплового распределителя типа 2ВДК/ВДКР.
рис. 8
Рис. 8. Страница из каталога воздухораспределителей компании «Арктика» с аэродинамическими характеристиками соплового распределителя типа 2ВДК/ВДКР.
После проведения некоторых расчётов для приведения паспортных данных всего воздухораспределителя к параметрам одного сопла получили следующую таблицу данных (см.рис. 9)
Так в результате расчётов нам удалось получить следующие параметры струи из сопла:
Vc -скорость истечения струи из сопла, Pv- скоростной напор струи при скорости Vc.
Результатом оценки является последний столбик таблицы с параметром Pv/Рc, показывающем отношение скоростного напора струи Рv к статическому давлению Рс в камере перед соплом.
Для одного сопла с разными расходами получается, что скоростной напор составляет всего 53% от давления в камере статического давления.
То есть ситуация с отсутствием запирающего давления в истекающей из сопла струе на малых вентиляционных давлениях аналогична ситуации для ПРД с высокими компрессорными давлениями.
Будем считать, что скоростной напор в струе со сверзвуковой скоростью 490 м/с также не обеспечивает запирающего давления в ресивере с тем же соотношением Р2/Р1=0,53.
рис. 9
Рис. 9. Таблица параметров сопла и струи, истекающей из диффузора типа 2ВДК-Ф160 (Арктос). Особенно важен последний столбик, где даже на сверхмалых избыточных давлениях получаются стабильные отношения Pv/Pc = 0,53, практически равные Вкр=0,528 при дросселирование воздуха для высоких давлений по учебнику термодинамики.
Анализ данных от эксперимента с ПРД
Расчётное значение динамического напора Pv для струи из ресивера можно получит из давления Р1 при известной тяге струи из эксперимента с ПРД
Pv=0,53* Р1
Скоростной напор равен:
Pv =Vc^2*q2/2
Тогда приравняем два выражения:
P1×0,53=Vc^2*q2/2
Из чего получим значение плотности воздуха в струе:
q2= P1×0,53×2/(Vc^2)
Результат расчёта искомых плотностей q2 по экспериментальным параметрам сведены в таблицу (см.рис. 10.)
рис. 10
Рис. 10. Таблица результатов расчёта параметров воздушной струи из ресивера. Жёлтым выделена строчка затопленой струи с нулевым избыточным давлением (Р2=1 бар). Серым выделена строка, где температура струи после вторичного обжатия принимает температуру окружающего воздуха Т3=Т1=300К, то есть получение холода от такой струи становится невозможным. Красным выделены значения температуры струи, которые превосходят исходную температуру в ресивере в результате внешнего обжатия (именно эти значения надо проверять на эксперименте). Голубым выделены экстремально низкие температуры в струе до торможения при высоких давлениях Р1 в ресивере, при которых ВТР работают особенно эффективно.
Оценка расчётных значений струи ПРД
При давлении в ресивере 1,4 бар (между строка №14–15) температура струи Т3 после обжатия атмосферным воздухом становится равна приблизительно 273К (+0С), что при 20% сброса холодной фракции вполне вписывается в данные производителя по ВТР на избыточном давлении 1,4 бар с охлаждением холодной струи на дТ=30К.
Согласно расчёта, при снижении давления в ресивере ниже 1 бар струя становится перегретой выше исходной температуры в ресивере, что делает невозможным получение холода ВТР ни в каком виде (красные клетки на рис.)
Если же избыточное давление в ресивере поднять выше 4 бар, то плотность струи q2 начнёт повышаться пропорционально росту плотности воздуха q1 в ресивере.
В итоге рост давления в ресивере приведёт к линейно пропорциональному повышению поперечного давления в сверхзвуковой струе после её выхода из сопла, что приведёт к дополнительному её расширению вбок (для выравнивания с атмосферным давлением).
При боковом расширении струи с давлением выше атмосферного (строки 1–6) будет наблюдаться дополнительное охлаждение воздуха в сверхзвуковой холодной струе (синие клетки в последнем столбце в строках 1–6 (см рис. 10.).
В итоге при избыточном давлении газа любое малое отверстие в ресивере превращается в пневматический «холодный» реактивный двигатель (газ в ресивере находится при комнатной температуре 300К), законы функционирования которого абсолютно тождественны работе «горячих» ЖРД на керосин-кислороде (температура газов в камере сгорания 3800К).
Выводы и заключения по расчётам.
1. При компрессорных давлениях и сверхзвуковой ударной струе сопло не ощущает наличия избыточного давления снаружи, разгоняя струю до предельной сверхзвуковой скорости на всю ⅓ тепловой энергии газа как в вакуум.
2. Сверхзвуковая струя не создаёт запирающего динамического давления в отверстии, равного давлению в ресивере. При этом для воздуха обеспечивается соотношение Рv/Р1=0,53.
3. При низких дозвуковых скоростях истечения струи из сопла при вентиляторных низких давлениях также не возникает запирающего давления с постоянным соотношением Рv/Р1=0,53, при этом расчёт давлений идёт без учёта базового подпирающего давления 1 бар, а лишь на превышения в единицы паскалей от базового давления 1 бар=100кПа.
Общие заключения о работе ВТР по теории СТГ:
Применяя СТГ при анализе данных эксперимента с учётом классической темодинамики (без роли КТГ) и опытных данных от существующих сопел из систем гражданской вентиляции (при низких избыточных давлениях от вентиляторов) нам удалось получить некий массив расчётных значений для истекающей из ресивера струи.
При этом затопленная струя с нулевым избыточным давлением оказалась при Ркр=Р1=5 бар (избыточное 4 бар).
При дальнейшем понижении давления в ресивере ниже Ркр (избыточного) поперечное давление в струе воздуха из сопла станет ниже давления в атмосфере. При этом струя начнёт подвергаться адиабатическому обжатию окружающим воздухом до Ратм=1 бар с повышением температуры по адиабате.
В результате внешнего поперечного обжатия температура высокоскоростной струи повысится, а холодовой эффект работы ВТР понизится, и даже перейдёт к нагреву струи при малых избыточных давлениях (ниже 1 бар). То есть струя станет слишком тёплой при неизменной скорости струи, что и даст резкое падение выхода полезного «холода» из ВТР до нуля.
Применение СТГ в корне меняет характер расчёта истекающей струи, так как возникают отдельные ступени процесса, которые меняют как конечный результат расчёта, так и физический смысл самого явления.
По СТГ истечение газов из ресивера проходит в два этапа:
1. Разгон струи за счёт ⅓ собственной внутренней энергии до сверхзвуковой скорости Vc=1,4*Vа. При этом воздух в отверстии адиабатно расширяется воль струи, расходуя всю энергию на увеличение кинетической энергии самих молекул газа в направлении струи.
2. Обжатие струи внешним воздухом поперёк струи за счёт энергии внешней атмосферы, что приводит к уплотнению струи и повышения её температуры. Возможен также вариант расширения струи при наличии в ней поперечного давления выше 1 бар, что приводит к дополнительному охлаждению струи.
Получается, что учёт такой неравновесной этапности двух последовательных адиабатических процессов меняет конечный расчётный результат состояния газа в струе.
Таким образом, два последовательных неравновесных адиабатических процесса согласно СТГ дают иной результат, чем при расчёте адиабатического расширения газа в один этап от начального состояния газа в ресивере до конечного состояния газа в затопленой в атмосфере струе по существующей термодинамической теории газов.
Для сравнения приведу результаты расчёта адиабатического расширения воздуха от Р1 в ресивере до Р2=1 бар (см.рис. 11.)
Согласно расчёту получились весьма значительные несовпадения с экспериментальными данными. Так последний зелёный столбец показывает на сколько в разах не совпадает экспериметально замеряемая тяга ПРД с расчётным значением для одноактного адиабатического расширения воздуха.
Также сильно завышены расчётные значения скорости истечения струи воздуха из ресивера (оранжевый столбец), где на больших давлениях скорость истечения превышает скорость звука более чем в 1,6 раза, что невозможно даже по СТГ.
рис. 11
Рис. 11. Расчётные значения параметров воздуха в струе при истечении из малого отверстия в ресивере при различных давлениях в нём. Расчёт вёлся исходя из предположения, что воздух в струе расширяется одноактно от давления Р1 в ресивере до Р2=1 бар.
Происходящее с перерасширенной струёй в атмосфере.
Рассмотрим состояние струи после выхода в атмосферу при Р1<Ркр, когда Р2< 1бар.
Так на срезе отверстия сверхзвуковая струя станет перерасширенной струёй (внутри струи давление ниже 1 бар), на которую начнёт действовать обжимающая сила от давления внешней атмосферы.
В итоге на струе начнут возникать «кольца и пирамидки Маха», которые можно наблюдать на фотографиях истечения горячих струй реактивных двигателей (см.рис. 12–14).
рис. 12
Рис. 12. Истечение перерасширеной струи из сопла ЖРД с образованием «пирамидок Маха».От кромки сопла хорошо виден клиновидный слой (чуть более яркий, чем на оси) нарастания плотности струи от периферии к центру при обжатии внешним атмосферным давлением. При встрече сходящихся к оси радиальных волн плотности на оси возникает вторичный конус яркого свечения от ударно сжатия нагретых газов в струе. Далее светящаяся волна высокой плотности и высокой температуры расширяется конусом от оси к переферии струи, тем самым образуя первую «пирамидку Маха». Далее цикл повторяется, но уже чуть более размыто из-за подмеса в горячую струю окружающего холодного воздуха по внешнему краю.
рис. 13
Рис. 13. Перерасширенная реактивная струя из ЖРД с «конусами Маха». Фазы процесса:
1.1. Центральный конус повышенного давления перерасширенной струи из сопла
1.2. Волна обжатия реактивной струи внешним давлением атмосферы, с повышенным давлением в клиновидной зоне. Граница волны сжатия движется к оси струи со скоростью местной «скорости звука» при данной температуре газа.
1.3. Точка схождения волн внешнего обжатия на оси струи с ударным нагревом сжатого газа на оси струи.
1.4. Всестороннне обжатие потока внешним давлением с нагревом газа. Фронт высокого давления от оси движется к переферии, создавая расширяющуюся область высокого давления горячих газов.
1.5. Самое узкое сечение, где сжатие остановилось, а всё сечение струи находится под максимальным давлением и разогрето до максимальной температуры по всему сечению.
1.6. Конус корячего газа под давлением. Аналогичный конус выходит из критического сечения КС ЖРД в сопло Лаваля (невидим сквозь стенку сопла)
1.7. Зона расширения горячего конуса вбок с падением температуры. Аналогично срабатывается по радиусу конус из КС ЖРД в начале сопла Лаваля (не видим за непрозрачной стенкой сопла).Фронт расширения движется наружу, а граница низкого и высокого давления движется внутрь струи со скоростью звука в данном температурном режиме газа.
рис. 14
Рис. 14. Истечение перерасширенной струи из сопел турбореактивного двигателя самолёта с образованием «колец Маха». Из-за значительно меньшей температуры струи от двухконтурного турбореактивного контура ярко видны только «кольца Маха» на заужениях струи в зоне максимального обжатия. «Пирамидки Маха» в тёмной струе с большого расстояния уже не просматриваются.
Обжатие перерасширеной струи
Обжатие перерасширеной струи приведёт к появлению торможения сверхзвукового потока по аналогии с разгоном на расширении сопла Лаваля.
Такое торможение неизбежно затормозит и само истекание воздуха из отверстия.
В холодной струе из ресивера при большой разницы давления в струе и давления атмосферы снаружи крутизна кривой обжатия становится столь большой, что приводит к почти полному торможению потока.
При этом возникнут циклические колебания с периодическими разгонами струи до перерасширения и торможением струи до избыточного давления поперёк струи.
Период колебания (длина волны) определяется отношением диаметра отверстия к скорости звука. Так цикл обжатия определяется временем прохода звука от края струи до центра и обратно.
Твол=D/Va или частота W=1/Твол
Для малого отверстия 1,5 мм период колебания составит
Wвол=300/0,0015=200 кГц
То есть частота звучания сверхзвуковой волны из тонкого отверстия человеческий слух просто не слышит.
Свист на высоте менее 20кГц может появиться на крупных отверстиях более 15 мм в диаметре.
Подобные свистящие струи больших диаметров характерны для мощных компрессоров турбинных установок в промышлености.
На бытовом уровне свист можно получить на малых отверстиях при низких перепадах давления при вентиляторных скоростях прокачки воздуха с малыми перепадами давления на струе.
Для вентиляционных диффузоров в характеристиках указывается их уровень шума для различных режимов работы (см.рис. 8.) Характер такого шума — это шипение, то есть широкополосный хаотический спектр.
На малой скорости в струе воздуха не образуется стоячая волна от среза сопла (как на реактивной струе), а волновые обжатия струи начинают хаотично генерироваться и двигаться со скоростью самой струи, генерируя вокруг столь же хаотичные «шумовые» переменные колебания воздуха.
Подобные поперечные колебания струи могут начать создавать вокруг волновые возбуждения в воздушной среде, которые принято называть «звуковыми колебаниями».
То есть мы нашли предполагаемую границу давления Ркр в ресивере между «звуковыми колебаниями» и «сверхзвуковыми ударными волнами».
Рассеиваемая звуковая энергия струи может быть частично принята колебательной системой с собственной частотой, кратной частоте одноного из участков шумового спектра струи.
Таким образом, слышимые человеческим ухом частоты от 20кГц и ниже достигаются не в малых отверстиях духовых музыкальных инструментов, а в их низкочастотных резонаторах.
К таким низкочастотным резонаторам относятся духовые трубы и коробчатые корпуса инструментов.
Низкая частота собственных колебаний в трубе выбирает из широкополосного шипения струи воздуха кратные себе частоты, поглощая их энергию на раскачку стоячей волны внутри трубы.
На эффекте колебания струи низкого давления строятся такие духовые инструменты как «Духовой орган», где пульсирующая струя воздуха из отверстия заставляет резонировать трубы различной длины и диаметра на разных частотах. При этом избыточное давление воздуха в струях органа весьма мало, а частота звука больших труб крайне низка.
Так большие трубы духового органа создают низкочастотный басовый гул, достигая при этом нижнего порога границы слуха человека.
рис. 15
Рис. 15. Духовой орган в учебном классе.
В органе большинство труб — аэрофоны. Их называют лабиальными, или свистковыми.
Аэрофон — это духовой инструмент, в котором звучание образуется в результате колебаний столба воздуха. К таким относятся флейта, труба, туба, валторна.
Но далеко не все духовые инструменты являются аэрофонами (подобно тростинкам старинной флейты).
Так вот саксофон, гобой, губная гармошка состоят в группе «идиофонов», то есть «самозвучащих».
рис. 16
Рис. 16. Басовая флейта и флейтистка. Интересно отметить положение губ над дутьевым отверстием флейты. Так воздух не вдувают в саму флейту (как в обычный свисток), а продувают над отверстием (дульцем), заставляя воздух в трубе колебаться под воздействием периодической пульсации струи воздуха, проносящегося над дульцем флейты.
Идиофонные трубы составляют особую группу регистров в органе и носят наименование язычковых.
У идиофонных инструментов колеблется не просто воздух в трубе, а обтекаемый потоком воздуха язычок. Давление воздуха и сила упругости язычка противодействуют друг другу, тем самым заставляют язычок дрожать и распространять звуковые волны, которые усиливаются раструбом инструмента как резонатором.
Так же вибрируют края листов бумаги или травинки при продувании через них воздуха ртом. Неравномерность обтекания тонкой пластины струёй воздуха создаёт отклоняющее воздействие. Но этот же эффект иногда возможно объяснить и обычной неустойчивостью пластины при набегании на неё струи воздуха с торможением потока и созданием чередующегося избыточного давления на колеблющейся пластине.
Заставить звучать натянутый лист бумаги (травинку) только за счёт продувания мимо неё потока воздуха достаточно сложно, а извлекаемый звук будет сравнительно слаб по сравнению с затраченными усилиями на дутьё.
Всем известный и наиболее популярный «идиофонный» духовой музыкальный инструмент- это губная гармонь (далее ГГ). (см.рис. 17)
На примере работы губной гармошки удобнее всего рассмотреть механизм создания звука при истечении воздуха в «звуковом» скоростном режиме из малых щелей.
Так в ГГ присутствует два набора лепестков-звукогенераторов, которые работают на вдохе или на выдохе. (см.рис. 18–19)
рис. 17
Рис. 17. Общий вид губных гармошек различных звуковых характеристик.
рис. 18
Рис. 18. Губная гармонь, разобранная на основные детали.
рис. 19
Рис. 19. Вид ГГ со стороны духовых отверстий. Видно, что в каждый канал идёт два язычка на пластинах с разных сторон, обеспечивающих движение с разных сторон при вдохе и выдохе. Язычки звучания на вдохе видны непосредственно внутри канала ГГ вместе с головками своих крепёжных винтиков (заклёпок).
Звучащий лепесток поднимается над срезом воздушного канала, образуя переменный по величине зазор по своему периметру для выхода воздуха в процессе своего колебания. Собственная частота колебания язычка определяет частоту генерируемого звука. (см.рис. 20.)
Для понимания работы звукового язычка в ГГ крайне важно рассмотреть молчащий ряд язычков противоположного хода воздуха, когда на вдохе поток воздуха меняет направление и загоняет язычок внутрь канала. При этом воздух просачивается в сохраняющиеся тонкие каналы по периметру язычка, но звук при этом не генерируется. Интересно, что язычёк не касается краёв канала, а имеет возможность свободно колебаться в его объёме.
рис. 20-а
рис. 20-б
Рис. 20. Вид звук пластины с язычками для ГГ с разных сторон. Видно, что каждый язычёк находится на достаточно толстой пластине над воздушным «колодцем», который перекрывается почти полностью при погружении лепестка в колодец в процессе вибрации (или запирается полностью при обратном ходе воздуха на вдохе-выдохе).
То есть для генерации звука нужно не только протекание воздуха по кромке колеблющегося язычка, но и резкое изменение сечения потока в зазоре для увеличения амплитуды изменения давления во всём объёме широко воздушного канала.
По принципу ГГ устроены баяны и аккордеоны, где продув резонаторных язычков осуществляется с помощью ручных мехов (см.рис. 21)
При этом парные каналы вдоха-выдоха монтируются на одной пластине для одной ноты. (см.рис. 22–23.)
рис. 21
Рис. 21. Современный Баян. Цена указана в белорусских рублях для магазина в Минске (Белоруссия), то есть цена в российских рублях будет уже около 150 тыс.руб.
рис. 22
Рис. 22. Вид отдельных нотных звуковых пластины с язычками (для баяна). Видно, что язычёк находится на достаточно толстой пластине над воздушным «колодцем», который перекрывается почти полностью при погружении лепестка в колодец в процессе вибрации или при обратном ходе воздуха на «вдохе-выдохе» ручных мехов. Согласно описанию баяна выше: «зазоры минимальны».
рис. 23
Рис. 23. Резонаторные сборки от баяна. На вид похожи на огромные губные гармони из дерева с наборными рядами отдельных металлических пластин для парных нот на вдох-выдох.
