[論文レビュー] Measurements on a little known sound source - the Vortex Whistle

Ulf R. Kristiansen, Muriel Amielh|arXiv (Cornell University)|Apr 8, 2016

Aerodynamics and Acoustics in Jet Flows参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、空気力学的音源としてあまり知られていないボーラルホイッスルを、音響測定、PIV、およびホットワイヤー測定を用いて調査した。音響周波数と空気速度の間には線形関係が確認され、音響的放射パワーは周波数の6乗に比例することが明らかになった。これは、出口近辺に渦巻き構造を有する円環流れとトロイダル渦構造が駆動要因である。

ABSTRACT

Acoustic measurements on a vortex whistle corroborates earlier findings that the frequency increases linearly with the velocity of the air flowing into the whistle. Measurements in a reverberant chamber shows that the acoustic power generated by the whistle increases close to the sixth power of the frequency. PIV and hot-wire measurements give quantitative information on the flow. It is shown that the flow exits the pipe as a swirling annulus with a rotation corresponding to the frequency of the sound, and that the center of the swirl follows a nearly circular path in the exit plane. The PIV measurements also indicate a toroidal vortex with inflow along the center line close to the exit of the whistle.

研究の動機と目的

• ボーラルホイッスル、すなわち流体力学におけるあまり知られていない音源の音響的挙動を特徴づけること。
• 空気の流入速度と発生音周波数との関係を定量的に特定すること。
• 高度な測定技術を用いて、音響発生に寄与する流れの構造を調査すること。
• 周波数および流れの条件に関して、音響的パワーのスケーリング則を同定すること。

提案手法

• 反響室を用いて放射音響パワーを評価する音響測定を実施した。
• ホイッスル出口における渦巻き流れ構造の可視化および定量的評価のために粒子画像ビジメトリー（PIV）を用いた。
• 速度ゆらぎを測定し、流れのダイナミクスを確認するためにホットワイヤー・アナモメトリーを用いた。
• 流れのパターンを分析し、出口断面近くに軸方向の流入を伴うトロイダル渦が存在することを同定した。
• 測定された流れの回転速度と音響周波数を関連付けることで、渦駆動音響発生メカニズムを検証した。
• 統計的解析を適用し、音響的パワーが周波数および流れ速度とどのように関係するかを評価し、べき乗則のスケーリングを検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ボーラルホイッスルの音響周波数は、流入空気速度にどのように依存するか？
• RQ2 音響的パワーと発生音周波数の関係は何か？
• RQ3 ボーラルホイッスルの出口断面にどのような流れの構造が存在し、それらが音響発生とどのように関係するか？
• RQ4 流れの可視化から示唆されたように、ホイッスル出口付近に軸方向の流入を伴うトロイダル渦が存在する証拠はあるか？
• RQ5 音響的パワーが周波数に関して6乗則に従う程度はどの程度か？

主な発見

• ボーラルホイッスルの音響周波数は、装置への空気流入速度に比例して増加する。
• 音響的パワーは周波数の6乗にほぼ比例して増加しており、強い非線形スケーリングを示している。
• PIV測定により、出口に渦巻き構造の円環流れが存在し、その回転速度が音響周波数に対応していることが明らかになった。
• 渦巻き流れの中心は、出口断面でほぼ円形の軌道を描いており、これは渦の剥離と整合的である。
• ホットワイヤーおよびPIVデータから、出口付近の中心線に沿って軸方向の流入を伴うトロイダル渦が存在することが示された。
• 流れの構造は、渦の形成と回転が定調音の放射を駆動するメカニズムを支持している。