УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОВЕРКИ ГИПОТЕЗЫ СИЛОВОЙ ОТДАЧИ НА ИСТОЧНИК ЗВУКОВОГО ВОЛНОВОГО ПОЛЯ
APPARATUS FOR VERIFYING HYPOTHESIS OF POWER DELIVERY TO SOURCE OF SOUND WAVE FIELD

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано либо в качестве управляемого по направлению датчика движения, либо в качестве доказательства возникновения силы отдачи, приложенной к источнику звукового волнового поля, со стороны расположенного на траектории распространения этого волнового поля материального объекта.
Известен эффект силового воздействия электромагнитного излучения на материальные объекты - давление света на отражающие и поглощающие тела, частицы и отдельные молекулы и атомы - одно из пондеромоторных действий света, связанное с передачей импульса электромагнитного поля веществу. Гипотеза о давлении света была высказана И.Кеплером в 17 веке, объяснена Дж.Максвеллом в 1873 году в рамках классической электродинамики. В рамках квантовой теории давление света объясняется передачей импульса телу фотонами. Экспериментально давление света было впервые исследовано П.Н.Лебедевым в 1899 году.
Известна также световая отдача атома - одно из пондеромоторных действий света, заключающееся в том, что атом, испускающий фотон, приобретает импульс отдачи, направленный в сторону, противоположную вылету фотона. При спонтанном испускании разные атомы ансамбля получают импульсы отдачи в различных произвольных направлениях; при вынужденном испускании в лазерах - в одном определенном направлении.
2
2
2
Аналогичным образом обстоит дело с давлением звукового излучения. Звуковое давление - переменная часть давления, возникающая в среде при прохождении звуковой волны. Образующиеся в среде сгущения и разрежения создают добавочные изменения давления по отношению к среднему внешнему (статическому) давлению [1]. Звуковое давление р удовлетворяет волновому уравнению Δр-(1/с)∂р/∂t=0, а при известном р можно определить остальные характеристики звукового поля по формулам:
2
2
2
v=-(1/p)grad∫pdt, ξ=∫vdt, s=p/ρc, Т=(γ-1)р/αρс,
Р
V
2
где с - скорость звука, ρ - плотность среды звукопередачи, γ=с/c - отношение теплоемкости при постоянном давлении к теплоемкости при постоянном объеме, α - коэффициент теплового расширения среды. Для гармонического звукового поля волновое уравнение переходит в уравнение Гельмгольца: Δр+kp=0, где k=ω/с - волновое число для частоты ω, а выражения для v и ξ принимают вид:
2
v=(1/iρω)grad p, ξ=-(v/iω)=(1/ρω)grad p,
где v - колебательное смещение частиц, ξ - относительное изменение плотности ρ среды, s=δρ/ρ - относительное изменение плотности среды, δТ - адиабатическое изменение температуры, сопровождающее сжатие и разрежение среды [2-3].
MIN
2
Звуковое поле излучения на большом расстоянии от излучателя (в так называемой дальней зоне, или зоне Фраунгофера) асимптотически принимает вид расходящихся сферических волн: р=Аехр(ikr)H(q, j)/r, где А - постоянная, q и j - углы сферической системы координат, Н (q, j) - характеристика направленности излучения. Таким образом, асимптотически поле убывает обратно пропорционально расстоянию r точки наблюдения от области расположения источника звука. Началом дальней зоны обычно считают расстояние r=D/λ, где D - поперечные размеры излучающей системы, λ=2πc/ω - длина звуковой волны.
2
3
2
2
2
2
V
Р
КЛ
Известно поглощение звука - явление необратимого перехода энергии звуковой волны в другие виды энергии, в основном в теплоту. Поглощение звука обычно характеризуется коэффициентом β, определяемым как обратная величина того расстояния, на котором амплитуда звуковой волны спадает в е=2,73 раз. Амплитуда плоской звуковой волны, бегущей вдоль оси x, убывает с расстоянием как ехр(-βх), а интенсивность - как ехр(-2βх). Амплитуда стоячей звуковой волны после выключения источника звука убывает со временем как ехр(-βct), где с - скорость звука, t - время. Коэффициент поглощения звука выражают в неперах на метр или же в децибелах на метр (1 дБ/м = 0,115 Нп/м). Поглощение звука можно характеризовать также коэффициентом потерь η=βλ/π или добротностью Q=1/η. Величина βλ называется логарифмическим декрементом затухания звука. При распространении звука в среде, обладающей сдвиговой и объемной вязкостями и теплопроводностью, коэффициент поглощения звука β для продольной волны равен β=(ω/2ρс){(4ζ/3)+ξ+ς[(1/c)-(1/с)]}, где ζ и ξ - коэффициенты сдвиговой и объемной вязкости, ς - коэффициент теплопроводности. В области низких частот, где ни один коэффициент ζ, ξ, и ς не зависит от частоты, для характеристики поглощения звука часто пользуются величиной 4πβ/ω, которая в этом случае также не зависит от частоты и является параметром, характеризующим свойства среды. Значение 4πβ/ω, как правило, в жидкостях меньше, чем в газах, а в твердых телах меньше, чем в жидкостях. Выражение для β применимо для звуковых волн малой амплитуды. Поглощение звука, обусловленное сдвиговой вязкостью и теплопроводностью, называется классическим и характеризуется коэффициентом β [4].
Поглощение звука неразрывно связано с понятием диссипативной среды - распределенной физической системы, в которой энергия одних движений или полей (обычно упорядоченных) необратимым образом переходит в энергию других движений или полей (обычно хаотических). Фактически диссипативны все реальные среды, ибо в соответствии с общим принципом возрастания энтропии любая замкнутая система стремится перейти в термодинамически равновесное состояние, т.е. свести на нет регулярное движение, преобразуя его энергию в тепло. Поэтому диссипативная среда называется также поглощающей или средой с потерями. Условно различают слабую и сильную диссипацию в зависимости от значений параметра W/τР, где W - плотность энергии, Р - плотность мощности потерь, τ - некоторое характерное время процесса, хотя, строго говоря, понятие запасенной энергии может быть установлено однозначно только в предельном случае среды без потерь (консервативной среды).
Диссипация энергии в диссипативной среде обычно обусловлена большим числом индивидуальных актов столкновений частиц среды, находящихся в хаотическом движении. Например, столкновения молекул в газах приводят к необратимым процессам внутреннего трения (вязкости) и теплопроводности, с которыми обычно связывается диссипация механической энергии. При феноменологическом описании необратимых процессов, приводящих к диссипации энергии, как правило, вводят характеризующие их параметры диссипативной среды: коэффициенты сдвиговой, объемной, динамической и турбулентной вязкости, коэффициент теплопроводности, электрическую проводимость среды и другие. Например, вязкость способна оказывать дестабилизирующее воздействие на возмущения в пограничных слоях гидродинамических течений. В ряде случаев такие неустойчивости приводят к установлению вынужденных колебаний и автоколебаний, т.е. таких самосогласованных колебательных движений, при которых поступление энергии из внешнего (обычно неколебательного) источника компенсируется диссипативными потерями. Например, в турбулентных течениях энергия потока передается сначала крупным вихрям, а затем, в результате нелинейных взаимодействий, - вихрям все более и более мелкомасштабным. Так продолжается до тех пор, пока не вступит в игру вязкость, которая сглаживает градиенты скорости, преобразуя энергию вихрей в тепло [5-6].
Хаотически распределенная по направлениям световая отдача протяженного источника света, как ясно, не создает импульса, приложенного к такому источнику света. Аналогично звуковая отдача источника звукового поля с симметричным распределением звукового волнового поля в однородной среде также не создает импульса, приложенного к элементу, генерирующему звук, - колеблющейся мембраны интегрально за период колебания или пьезоэлектрической пластины, колеблющейся по толщине.
Как известно, реактивная тяга создается благодаря выбросу масс газов или жидкости с определенной скоростью. Однако при распространении звуковой волны в среде, например в жидкости, не создается поток ее в направлении распространения волны, то есть не возникает реактивная тяга, хотя звуковая волна, как было указано выше, создает давление на материальные объекты, находящиеся в среде распространения звуковой волны, то есть оказывает на такие объекты силовое действие. Это силовое действие может вызывать движение таких объектов в среде. При этом в замкнутой системе будет возникать смещение ее центра инерции, что противоречит закону сохранения импульса и позволяет создавать устройства, движение которых обусловлено действием внутренних сил. В противном случае следует признать возникновение силовой отдачи источнику звукового волнового поля со стороны указанного объекта, на который падает звуковая волна, равной по величине силе давления звукового поля на объект и противоположно направленной, что устранит возникшее противоречие с законом сохранения импульса.
Для разрешения вопроса о том, какой из указанных двух механизмов реализуется на самом деле, предлагается провести проверку на основе заявляемого устройства, аналоги которому автору не известны, кроме известности акустических излучателей, связанных с генераторами переменного тока, в гидроакустике.
Целью изобретения является подтверждение гипотезы возникновения силовой отдачи на источник звукового волнового поля, оказывающего давление на материальный объект, помещенный на пути распространения этого волнового поля.
Поставленная цель реализуется в заявляемом устройстве для проверки гипотезы силовой отдачи на источник звукового волнового поля, содержащем источник звукового волнового поля, например колеблющуюся мембрану с соответствующей магнитной системой или пьезопластину, отличающемся тем, что источник звукового волнового поля связан с источником электрических колебаний с регулируемой частотой колебаний, и этот источник звукового волнового поля закреплен внутри замкнутой механической системы, выполненной в виде жесткой трубки, заглушенной на ее концах и заполненной вязкой жидкостью, при этом источник звукового волнового поля размещен вблизи одной из указанных заглушек жесткой трубки, выполненной в форме выпуклого отражателя, и далеко от другой, выполненной как поглотитель звуковых колебаний.
Достижение поставленной цели объясняется опытной проверкой того обстоятельства, возникает или нет неуравновешенная сила от действия звукового волнового поля на стенки жесткой трубки. Для проведения такой проверки достаточно взвесить всю систему до и после включения источника звукового волнового поля при подборе частоты источника электрических колебаний в резонанс с колеблющейся мембраной или пьезопластиной, расположив жесткую трубку соосно вектору гравитационного поля Земли и определив, имеется ли разница в показаниях весов. Если разница имеется, то возможно самодвижение материальной системы под действием внутренних сил в нарушение закона сохранения импульса. Если разницы весовых показаний нет, то справедливой оказывается гипотеза о силовой отдаче на источник звукового волнового поля со стороны материального объекта, находящегося на пути распространения волнового поля, что является интересным физическим феноменом. В частности, можно объяснить изменение траектории движения чрезвычайно яркой звезды, проходящей мимо другого достаточно массивного небесного объекта, в направлении, противоположном направлению на такой объект, если гравитационные силы тяготения яркой звезды и небесного объекта меньше силы световой отдачи.
На фиг.1 представлено устройство с колеблющейся мембраной, на фиг.2 дан график сил, действующих на противоположно расположенные стенки жесткой трубки, на фиг.3 дана модификация устройства с колеблющейся пьезопластиной и разным выполнением конструкции стенок.
На фиг.1 заявляемое устройство содержит:
1 - жесткую трубку, например алюминиевую, заглушенную по ее концам,
2 - вязкую жидкость, заполняющую внутреннюю полость жесткой трубки 1,
3 - мембрану, упруго закрепленную к жесткой трубке 1,
4 и 5 - соответственно первую и вторую электромагнитные системы, расположенные по разным сторонам от мембраны 3,
6 и 7 - первый и второй диоды,
8 - трансформатор с симметричной выходной обмоткой,
9 - источник электрических колебаний с регулируемой частотой колебаний.
1
2
Из графика на фиг.2 видно, что сила давления F на стенку, более близкую к мембране 3, существенно больше силы давления F на стенку, более удаленную от мембраны 3, что является следствием диссипации звуковой волны в вязкой среде 2.
На фиг.3 представлено модифицированное устройство с колеблющейся по толщине пьезопластиной 12, подключенной к источнику электрических колебаний 9 через изолирующий разъем 13. При этом ближняя к пьезопластине стенка выполнена в виде выпуклого зеркала 11 с коэффициентом отражения, близким к единице, а дальняя - в виде поглотителя звуковых колебаний 10 с коэффициентом отражения, близким к нулю.
Рассмотрим действие заявляемого устройства, показанного на фиг.1.
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
1
2
2
2
1
Пусть мембрана 3 расположена от стенок жесткой трубки 1 на расстояниях L и L, что согласно фиг.2 создает разные силы давления на стенки - соответственно F и F, причем F>F, поскольку L<L. Колебания мембраны, выполненной из ферромагнетика, например стальной, осуществляются двумя магнитными системами 4 и 5, расположенными с разных сторон от мембраны 3 и электрически включенными через диоды 6 и 7 и трансформатор 8 с симметричной выходной обмоткой с источником электрических колебаний 9 с регулируемой частотой колебаний, подбираемой в резонанс с колебаниями мембраны 3 для увеличения интенсивности этих колебаний. Поскольку колебания мембраны в интегральном смысле (то есть за целое число периодов) не создают какого-либо импульса, передаваемого с колеблющейся мембраны 3 на корпус жесткой трубки 1, если бы эта трубка имела значительную длину в обе стороны от мембраны и не имела бы стенок на ее концах, то различие сил давления ΔF=F-F>0 означает возникновение в системе внутренней силы, способной привести систему к самодвижению, что до сих пор всегда отрицалось физической наукой. С точки зрения соблюдения фундаментального закона сохранения энергии, в такой самодвижущейся системе энергия движения определяется разностью энергий диссипативных потерь звукового волнового поля в разных частях жесткой трубки 1 относительно мембраны 3. Так, совершенно очевидно, что тепловыделение Q на отрезке трубки L существенно меньше тепловыделения Q на отрезке L, и разница тепловых энергий ΔQ=Q-Q может определять энергию движения системы, учитывая именно фактор отсутствия потоков жидкости, которые не создаются из-за колебаний мембраны. При этом должно соблюдаться неравенство d(ΔQ)/dt≥ΔF при кпд преобразования ≤1.
Проверка воздействия на систему внутренней силы ΔF может быть проведена непосредственно в состоянии невесомости, то есть при космическом полете по стационарной орбите вокруг Земли, либо лабораторно с помощью взвешивания системы, жесткая трубка 1 которой осесимметрична вектору гравитационного поля Земли, до и после включения источника электрических колебаний 9. Если обе процедуры взвешивания покажут разные результаты, то фиксируется внутренняя сила самодвижения системы.
Если самодвижения системы под действием внутренней силы ΔF не возникает, то остается предположить, что на мембрану действует сила - ΔF (противоположно направленная), которая составляет силу отдачи со стороны ближней к мембране стенки жесткой трубки 1. Это подтверждает выдвинутую гипотезу. В частности, возникает предположение о «жесткой» механической связи между данной стенкой и мембраной, равно как и между колеблющимся в среде телом и каким-либо материальным объектом, расположенном на пути распространения звукового волнового поля.
2
Модифицированный вариант устройства (фиг.3) с использованием пьезопластины 12, к проводящим обкладкам которой прикладывается переменное электрическое поле от источника электрических колебаний 9, отличается от вышерассмотренного тем, что колебания происходят по толщине в обе стороны одновременно, что в принципе исключает действие импульса силы, передаваемого от пьезопластины на корпус жесткой трубки 1. Усиление эффекта силовых давлений на стенки достигается выполнением ближней к пьезопластине 12 стенки в форме выпуклого отражателя 11, а дальней стенки в форме поглотителя звуковых колебаний 10. От пьезопластины 12 возникает в зоне Фраунгофера расходящаяся звуковая волна, которая после отражения на стенке-отражателе 11 распространяется в направлении к стенке-поглотителю 10 и практически гасится в вязкой среде 2, что увеличивает разницу сил ΔF (см. фиг.2), поскольку сила давления на материальный объект пропорциональна величине 1+R, где R - коэффициент отражения от поверхности объекта (стенки). Использование пьезопластины 12 вместо мембраны 3 упрощает конструкцию устройства и позволяет использовать более высокие частоты колебаний, вплоть до ультразвуковых, что расширяет диапазон производимых исследований.
Заявляемое устройство представляет интерес с точки зрения возможности разрешения альтернативы: будет ли звуковое волновое поле приводить замкнутую систему к самодвижению под действием внутренних сил или оно приведет к «жесткой» связи источника колебаний с материальным объектом, находящимся на траектории распространения волнового поля, то есть к силовой отдаче на источник волнового поля.
Литература
1. Исакович М.А. Общая акустика. М., 1973.
2. Бергман Л.. Ультразвук и его применение в науке и технике, пер. с нем., 2 изд., М., 1957.
3. Ржевкин С.Н. Курс лекций по теории звука. М., 1960.
4. Михайлов И.Г., Соловьев В.А., Сырников Ю.П., Основы молекулярной акустики, М., 1964;
5. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М., Гидродинамика, 3 изд., М., 1986; их же, Статистическая физика, ч.1, 3 изд., М., 1979; их же, Электродинамика сплошных сред, 2 изд., М., 1982.
6. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М., 1974.