[논문 리뷰] Measurements on a little known sound source - the Vortex Whistle

Ulf R. Kristiansen, Muriel Amielh|arXiv (Cornell University)|2016. 04. 08.

Aerodynamics and Acoustics in Jet Flows참고 문헌 1인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 음향학적으로 잘 알려지지 않은 공기역학적 음향원인 소용돌이 휘슬의 특성을 음향 측정, PIV 및 핫와이어 측정을 통해 조사한다. 연구는 음향 주파수와 공기 유속 간의 선형 관계를 확인하였으며, 소용돌이 흐름과 출구 근처의 토러스형 소용돌이 구조에 의해 유도되는 바, 음향 출력이 주파수의 6제곱에 비례함을 밝혀냈다.

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.

연구 동기 및 목표

• 소용돌이 휘슬의 음향적 행동을 특성화하는 것, 이는 유체역학에서 덜 알려진 음향원이다.
• 공기 유속과 발생하는 음향 주파수 간의 관계를 정량화하는 것.
• 고도의 측정 기술을 활용하여 음향 발생 원인이 되는 유동 구조를 조사하는 것.
• 주파수 및 유동 조건에 대한 음향 출력의 스케일링 법칙을 규명하는 것.

제안 방법

• 반사실에서의 음향 측정을 통해 방사되는 음향 출력을 평가하였다.
• 입자 영상 유속측정(PIV)을 활용하여 휘슬 출구에서의 소용돌이 흐름 구조를 시각화하고 정량화하였다.
• 핫와이어 안나모미를 사용하여 유속 변동을 측정하고 유동 역학을 확인하였다.
• 유동 패턴을 분석하여 출구 평면 근처에 춴축 방향 유입이 있는 토러스형 소용돌이 존재를 확인하였다.
• 측정된 유동 회전 속도와 음향 주파수를 연계하여 소용돌이에 의해 유도되는 음향 메커니즘을 검증하였다.
• 통계적 분석을 적용하여 음향 출력이 주파수 및 유속과 어떻게 관련되어 있는지 분석하고, 거듭제곱 법칙 스케일링을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 소용돌이 휘슬의 음향 주파수는 유입 공기 유속에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 음향 출력과 발생하는 음향 주파수 간의 관계는 무엇인가?
• RQ3 소용돌이 휘슬의 출구 평면에 존재하는 유동 구조는 무엇이며, 음향 발생과 어떻게 관련되어 있는가?
• RQ4 유동 시각화 결과에서 제안된 바와 같이, 휘슬 출구 근처에 춴축 방향 유입이 있는 토러스형 소용돌이가 존재하는가에 대한 증거는 있는가?
• RQ5 음향 출력이 주파수에 대해 6제곱 스케일링 법칙을 얼마나 잘 따르는가?

주요 결과

• 소용돌이 휘슬의 음향 주파수는 기기로 유입되는 공기 유속에 비례하여 증가한다.
• 음향 출력은 주파수의 약 6제곱에 비례하여 증가하며, 강한 비선형 스케일링을 나타낸다.
• PIV 측정 결과, 출구에서 소용돌이 흐름이 링형으로 존재하며, 이는 음향 주파수에 해당하는 속도로 회전하고 있음을 밝혀냈다.
• 소용돌이 흐름의 중심은 출구 평면에서 거의 원형 경로를 따르며, 이는 소용돌이 분리 현상과 일치한다.
• 핫와이어 및 PIV 데이터는 출구 근처 중심선을 따라 춴축 방향 유입이 있는 토러스형 소용돌이 존재를 시사한다.
• 유동 구조는 소용돌이 형성과 회전이 톤형 음향 방출을 이끄는 메커니즘을 지지한다.