Охота на звуковые фантомы
Шум вихревого кольца напоминает свист пролетающей мимо пули.
Единственная физическая проблема, которая была поставлена в XIX веке и не была решена в XX, - проблема турбулентности. Очень много выдающихся ученых занимались этой проблемой: Гейзенберг, Рэлей, Ландау, Колмогоров и многие другие. Тем не менее проблема остается нерешенной.
Так что такое это самое - "вихревое кольцо"?
- Грубо говоря, это бублик, в котором сосредоточена завихренность. Бублик этот в силу уравнений динамики обладает определенной упругостью и способен поддерживать множество различных колебаний. Он движется в пространстве, окруженный эллипсоидальной оболочкой (так называемой атмосферой кольца). Оказывается, что вся оболочка заполнена турбулентной жидкостью, а само ядро остается ламинарным, невозмущенным, перемешивания в нем нет. Граница между ламинарным и турбулентным течениями - резкая. И это удивительно для замкнутого объекта! Кстати, и на компьютере это пока не рассчитывается, хотя такие попытки были.
По нашему мнению, это течение является ключевым и в аэроакустике. Поскольку шум "сидит" необязательно на наиболее интенсивных пульсациях, а на скореллированных по пространству, иногда очень слабых возмущениях. Даже в
отдельном вихре шум связан с ничтожными колебаниями ядра, а не с видимыми турбулентными пульсациями в оболочке (кстати, тоже вызванными колебаниями ядра). Для вихревых колец у нас в ЦАГИ были поставлены уникальные эксперименты, в которых мы измеряли шум отдельно летящих вихрей. Это дало возможность проверить основной сценарий теории, поскольку в этом контексте шум является уникальным бесконтактным методом диагностики турбулентности и механизма ее возникновения.
- То есть этот "бублик", помимо того, что он имеет сложную структуру, еще и шумит?!
- Да. Кстати, это нетривиальный вопрос - а почему он шумит? Шум кольца напоминает свист пролетающей мимо пули. Согласно классическим представлениям, спектр его шума должен быть широкополосным - летит же заполненный турбулентностью эллипсоид, а там все частоты, все масштабы присутствуют. А спектр, оказывается, имеет четко выраженный пик, некий горб шириной порядка 300 Герц. Поэтому обычные представления для понимания механизма генерации шума в таком объекте не годятся. В турбулентной струе таких вихрей - миллионы, они живут, саморазрушаются, взаимодействуют друг с другом. Здесь - целая иерархия механизмов, и излучение собственно вихрем - один из них.