Диск Рэлея

(перенаправлено с «Рэлея диск»)

Диск Рэле́я (по имени английского физика Дж. У. Рэлея) — прибор для измерения колебательной скорости частиц в звуковой волне и силы звука.

Схема измерения силы звука методом диска Рэлея. Бронзовая трубка A закрыта стеклом B и пластиной С с прорезью для луча света. Подвижное зеркало D подвешено на шелковой нити и возвращается в исходное положение небольшими магнитами; это диск, чувствительный к акустическому движению воздуха. Е - стеклянное окно, за ним линза F для проецирования световой линии на экран G. Мембрана из тонкой бумаги H защищает зеркало от потока воздуха, скользящая часть трубки I используется для настройки частоты[1]

Представляет собой тонкую круглую пластинку из слюды или металла, подвешенную на тонкой (обычно кварцевой) нити[2]. Угол поворота вокруг вертикальной оси определяется при помощи зеркальца. Поворот диска Рэлея в звуковой волне вызывается действием средних по времени гидродинамических сил при обтекании потоком. Вращающий момент, действующий на диск, определяется как[2]:

где ρ - плотность среды; a - радиус диска, v - скорость в потоке за пределами искажения, вносимого диском, θ - угол между нормалью к диску и направлением потока.

Диском Рэлея пользуются как крутильными весами, помещая его обычно под углом θ=45° к направлению колебаний частиц среды, в положении наибольшей чувствительности. Квадратичная зависимость от скорости потока приводит к тому, что диск чувствителен как к постоянному, так и к переменному обтеканию. При распространении звуковых волн диск стремится стать перпендикулярно к направлению колебаний. Это происходит из-за того, что при обтекании пластинки давление по закону Бернулли больше с той стороны диска, где скорость меньше. Силы давления образуют вращающий момент, который уравновешивается за счёт упругости нити. При этом диск устанавливается к направлению потока под углом большим, чем 45°. По углу поворота диска определяют силу звука. В постоянном потоке угол поворота диск Рэлея пропорционален квадрату скорости, при звуковых колебаниях — квадрату амплитуды скорости, причём этот угол не зависит от частоты.

Применяется для измерений звука не только в газах, но и в воде. В этом случае следует учесть поправку на присоединённую массу и на увлечение диска потоком, зависящее от соотношения плотностей среды и диска. При этом массу диска и его момент инерции относительно вертикали следует заменить разностью между этими величинами и массой или моментом инерции среды в объёме диска[2]. Недостатком диска Рэлея является чувствительность к конвекционным течениям[2].

Примечания

править
  1. Lord Rayleigh. XXI. On an instrument capable of measuring the intensity of aerial vibrations (англ.) // The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. — 1882-09. — Vol. 14, iss. 87. — P. 186–187. — ISSN 1941-5982. — doi:10.1080/14786448208628426.
  2. 1 2 3 4 Физический энциклопедический словарь. Т. 1. / под ред. Б. А. Введенского, Б. М. Вула. — М.: Советская энциклопедия, 1960. — С. 581-582.