Порт ФИ, может ли он не шуметь? (ламинарность/турбулентность и откуда берутся эквивалентные схемы АС)

[ViktKors]

Я тут сравнительно недавно задался вопросом, может ли не шуметь порт ФИ.
Мне видится, что выполнение условий ламинарности потока должно обеспечить бесшумность порта.
Оценка показала, что порт должен состоять из множества тонких трубок или весьма узкой щели.
Но такой порт вызывает закономерные сомнения в его эффективности. Поэтому я постарался оценить эффекты понижения добротности порта ФИ.
К сожелению, чтобы подать информацию в максимально доходчивой форме, пришлось включить в объяснение и модель динамика в ФИ.
Пока вся информация во вложении.

По мере возможностей буду пояснять некоторые неочевидные моменты и озвучивать очевидные (и не очень) выводы

Исходный пост (взято из ветки Yauhen-а "Расчет песочных часов II"):

Вкратце вводная.

Ламинарное течение (нужное нам) - течение спокойное, в котором отсутствуют завихрения (оставим точные физические формулировки, они мне известны).
Турбулентное течение - течение в котором завихрения значительны и присутствуют всегда.

Кроме этого, есть еще так называемая переходная зона, в которой завихрения уже есть, но они могут спонтанно возникать и исчезать. В этих условиях важны свойства канала и всевозможные неоднородности, которые и стимулируют развитие турбулентости. Создается впечатление, что вся теория фазоинверторных шумов исходит из того, что этот режим и есть максимально достижимый.

Все эти типы течений характеризуются так назывемым числом Рейнольдса. Это число, по своей сути показывает отношение энергии потока (которая собственно и тратится на развитие турбулентности) к энергии потерь (определяется вязкостью среды). Турбулентность не возникает тогда, когда потери на трение в среде оказываются настолько большими, что турбулентность просто не успевает развится из своих очагов.

Теперь немного качественных критериев. Случай турбулентности вероятен (необходимы критерий) для числ рейнольдса более 2300 (течение в трубе). Как я понял из доступных источников, при числах более 10000 течение становиться турбулентным всегда. То есть для случаем 2300 < Re < 10000 как раз и имеет смысл полировать канал и делать порты спец формы.

Самое замечательное, при числах менее 2300 турбулентность не наступает никогда!!
Причем число рейнольдса 2300 означает, что кинетические силы в потоке более чем на три порядка больше вязкостных, и вязкость не должна оказывать существенного воздействия на остальные параметры течения.

Число Рейнольдса равно:
Re = v*d/ню (скорость в канале * характерный размер (диаметр)) / кинематическая вязкость воздуха, в нормальных условиях -ню = 1.7е-5 Pa s.

Таким образом, нам важно удержать v*d в пределах
v*d < 0.04 m^2/s

Как нетрудно заметить, для типичных скоростей порядка 10 м/сек диаметр получается
d < 0.004 m;

то есть диаметр трубки фазоинтертора должен быть менее 4 миллиметров.

Понятно, что при трубке в 4 миллиметра, скорость в ней будет никак не 10 м/сек; для обычных объемных смещений это будет скорее где-то ~2000 м/сек, что вообще не имеет физического смысла (гипотетическое число рейнольдса - 3е10). С увеличением диаметра скорость падает, но сколько-нибудь реальными значения становяться только при диаметре порта, сравнимом с диаметром динамика.
Как пример, порт 0.2 м, скорость порядка 0.6 м/сек, Re ~ 7000. С практической точки зрения, рассуждать о длине такого порта и в самом деле странно - она как правило запредельно большая.

У меня такое ощущение, что на этом месте всегда принималось решение о невозможности бестурбулентного порта. Действительно, если начать прикидывать зависимости от d скорости (обратно пропорционально квадрату) и числа рейнольдса (пропорционально), нетрудно прийти к выводу, что для заданного объемного смещения диаметр порта практически всегда будет неприемлемо большим.

Но ведь это совсем не обязательно должно быть именно так!!!
Понизить скорость (и сделать порт приемлемого диаметра) можно просто увеличив количество трубок!! Ну ведь так-же?

То есть, решение в лоб: сделать порт не одной трубой большого диаметра, а из нескольких малого. Их количество должно быть достаточным, чтоб скорость в них упала до приемлемого значения. Например для трубок 4 мм - до 10 м/сек.

Но ведь даже эдакое извращение тоже не совсем обязательно. Представим себе, что мы сдвигаем много таких трубок вплотную друг к другую.
На что это похоже? Мне это напоминает ... щелевой порт!!

Теперь короткая выжимка из вложения:
Замечание об эффективности фазоинверторного канала.
Сопротивлением воздуху в канале может быть соотнесено с добротностью трубы фазоинвертора (Qbp). Чем меньше диаметр трубы (d) – тем больше потери на трение и ниже добротность. Как и для случая потерь в подвесе динамика, сила трения в канале определяет его добротность на частоте fb.

Если стоит задача реализовать заданную добротность, то, чтобы обеспечить приемлемые скорости воздуха в канале, набирается несколько трубок нужного диаметра общим сеченим Sb. Альтернативный и более практичный вариант – щелевой порт (или несколько), с высотой t сравнимой с d, и шириной необходимой для обеспечения Sb.
Выражения для диаметра трубы/высоты щели при заданной добротности:



где d диаметр трубки, t высота шели, Qbp добротость порта, ню - динамическая вязкость, ро - плотность воздуха.
Видно, что добротность канала выбраной системы зависит только от диаметра канала и резонансной частоты.
Произведем оценку. Вероятно, добротность Qbp ~ 20 можно считать достаточно хорошей, особенно в сравнении с параметрами динамика и ящика. При частоте настройки фазоинвертора ~30 Hz такая добротность обеспечивается уже при диаметре трубок d ~ 7 mm или высоте щели t ~ 6 mm. Это означает, что практически любая привычная конструкция порта при ламинарном потоке приемлема с точки зрения потерь.

Важно также отметить, что
I. При переходе из ламинарного в турбулентный режим данные зависимости нарушаются. Способы обеспечения ламинарности – как-то выбор оптимальных режимов работы (сечение порта, скорость в нем, характерный размер канала) соответствующих докритическим числам Рейнольдса (Re < 2300) или построение портов особой формы, обладающих большей устойчивостью и сохраняющими ламинарность при больших Re – вопрос отдельный, оставим его пока за рамками обсуждения.

II. При переходе к турбулентному режиму, сопротивление порта резко возрастает, что вызывает падение его добротости. На практике это означает тот давно известный факт, что турбулентный фазоинвертор с характерным размером порядка сантиметра или менее просто бесполезен. Вывод: ламинарный порт не имеет права переходить в турбулентный режим, это чревато не только шумами (как в случае малоразмерного турбулентного порта), но и значитаельным падением его эффективности.
Можно произвести численные оценки для таких турбулентных портов. Известно, что для турбулентного движения при умеренно больших числах Рейнольдса (до 1e5), сопротивление канала характеризуется соотношением

лямбда = 0.3164/sqrt^4(Re)

В то время как в вышеприведенных расчетах для ламинарного потока
лямбда = 64/Re. Это позволяет нам оценить добротность порта (случай абсолютно гладких стенок):



Для обычного порта с диаметром d ~ 10 cm и типичной скоростью в порте v ~ 10 m/s, число Рейнольдса составляет Re ~ 6e4. Такой порт имеет добротность Q ~ 180 на частоте настройки ~ 30 Гц. Как нетрудно заметить, если попытаться сохранить такой характер течения в трубах диаметром d ~ 1 cm, добротность упадет до неприемлемой величны Q ~ 1.8, делающей такой фазоинвертор совершенно бесполезным. Понятно, что поскольку такая добротность возрастает с понижением скорости, в реальных условиях АС с турбулентным портом просто захлебывается если порт недостаточно большой.

Дополнение (результаты для обычного прямоугольного ФИ)
Исходные данные: дин 8**, порт 100см2 (4.5 х 22 см), настройка 31 Гц, мощность - до 60 Вт.
Уровни приведены относительно этой мощности.
Края закруглены только слегка, радиусом ~5 мм
Оцениваемая максимальная скорость - 6.4 м/с.
Соответствующее число Рейнольдса ~17000.

До уровней в -16 дБ (1 м/с), я не услышал (кроме собственно 31Гц) ничего. То есть совсем никакого шума, хотя и слышал мнение, что шумы есть всегда.
Потом идет что-то, что можно назвать "что-то кажется есть".
На -11 дБ (1.8 м/с) шум порта сравнялся с шумом компа и стал мешать.
На -4дБ (4 м/с) зашумело уже отчетливо, хотя и терпимо, орган с такой подзвучкой, например, еще можно слушать.

Теперь тоже самое в числах Рейнольдса:
Реальное первое появление шума 2700
Шум становится отчетливым 4800
Шум начинает мешать 10700.

Цифры, в разумных пределах, согласуются с вышеприведенными теоретическим представлениями.
Естественно, вероятность, что это просто случайное совпадение доволно высока.

Заключение
По мере дискуссии неоднократно отмечалось, что слабым местом любого порта являются его края. Хотя исходя из критерия Рейнольдса можно допустить, что на докритических режимах это место не является проблемным, для случая ламинарных надкритичных портов, стоит принимать основные меры предосторожности. Основная из них - амплитуда воздуха на выходе из порта должна быть меньше его характерного размера. В случае щели - это меньший ее размер. Для этого можно несколько расширить щель на краях порта. Вполне целесообразным может оказаться и применение обычных для турбулентных портов мер. О них можно почитать в статье, представленой (правда на английском) во вложении (спасибо D.D.N.).

[ViktKors]

Добротность выше 10 получить весьма затруднительно, если верить И.Алдошиной

Если Вас не затруднит, где она об этом говорит (если б еще номер странцы..)? Просто она собрала довольно много количественной практической информации, это было-бы сильно полезно. К сожалению, я нашел оценки добротности трубы фазоинвертора только на странице 80: "добротность потерь в трубе фазоинвертора, не содержащей поглощающего материала - в пределах 50 .. 100", после чего стоит ссылка на статью Смолла 1973 года.
Этой статьи у меня нет, но есть статья Смолла-же 2001 года в JAES, где приведены те-же самые слова, что и у алдошиной (только по-английски, естественно), весь абзац звучит примерно так (перевод условен):

"Потери в незагражденных (без решеток - unobstructed) портах обычно примерно такие-же или немного большие чем величины рассчитаные исходя из теории вязкости. Типичные величины Q для обычных (без решеток) портов находятся в пределах 50-100. Если порт закрыт грилем (grill cloth) или проложен поглотителем (lining materials), величина Q может существенно падать, но при целесообразных мерах в конструкции не падает ниже 20."

По остальному, на пальцах. Если представить ФИ как механическую колебательную систему...

"На пальцах" не обязательно . Во вложении рассматривается именно "ФИ как механическая колебательная система", тоже достаточно просто, ну а что там сложного-то при отсутствии запросов на запредельную точность. И в этих рамках добротность количественно оценена как для турбулентного, так и для ламинарного случаев, как раз как и советовал Смолл "в рамках теории вязкости". Я даже отметил (прикинул добротность, и каждый может это сделать для любого порта), что для малых турбулентных портов добротность (и отдача) становятся неприемлемо низкими.
И это интуитивно понятно и споров не вызвало. Просто речь шла о неких дополнительных, непонятных мне эффектах малой площади, природу которых я и хотел выяснить.

[D.D.N.]

Интересная статья об искажениях в фазиках:"Maximizing Performance from Loudspeaker Ports"
http://www.harman.com/EN-US/OurCompa...ions/11094.pdf
http://www.harman.com/EN-US/OurCompa...20Publications

Offтопик:
а вообще, чем больше познаю глубинную сущность ФИ, тем больше нравится пассивные излучатели - проблем гораздо меньше

[Yauhen]

Если Вас не затруднит, где она об этом говорит (если б еще номер странцы..)?

Я ошибся, на самом деле речь идёт о значениях болше 100.

D.D.N.,
Очень интересные материалы, спасибо. Читаю пока первый, там много подтверждений моим данным и выводам.

До уровней в -16 дБ (1 м/с), я не услышал (кроме собственно 31Гц) ничего. То есть совсем никакого шума, хотя и слышал мнение, что шумы есть всегда.
Потом идет что-то, что можно назвать "что-то кажется есть".
На -11 дБ (1.8 м/с) шум порта сравнялся с шумом компа и стал мешать.
На -4дБ (4 м/с) зашумело уже отчетливо, хотя и терпимо, орган с такой подзвучкой, например, еще можно слушать.

Теперь тоже самое в числах Рейнольдса:
Реальное первое появление шума 2700
Шум становится отчетливым 4800
Шум начинает мешать 10700.

Числа Рейнольдса - это ещё не всё, совершенно нельзя опираться только на них. И в работе по первой ссылке это обосновывается.
Второй момент: "сышу/не слышу" - очень зависит от расстояния до порта. Если ухо рядом с портом, шумы слышны даже при малых уровнях сигнала. Именно это я имел в виду, говоря, что "шумы есть всегда". Если шум заметен на расстоянии полуметра и более, я помечал его как "слышно".

[ViktKors]

Offтопик:
а вообще, чем больше познаю глубинную сущность ФИ, тем больше нравится пассивные излучатели - проблем гораздо меньше

А как быть с нелинейностями подвеса, излишней амплитудой (она больше чем у дина) и низкой добротностью?

Интересная статья об искажениях в фазиках:"Maximizing Performance from Loudspeaker Ports"
http://www.harman.com/EN-US/OurCompa...ions/11094.pdf
http://www.harman.com/EN-US/OurCompa...20Publications

Спасибо большое за статью. Несколько лет назад я ее читал, но не очень внимательно, и в последнее время пытался найти, но безуспешно.
Представляется, что этой информации как раз и недоставало для полной картины.

Для обсуждаемого вопроса ламинарных портов наиболее важным оказалось понятие числа Строухала.
Особенно подробно вопросы перехода порт-среда оказались рассмотрены в одной из статей, на которые ссылаются авторы (ссылка 14).
Там же обсуждаются и критерии, число Строухала - один из важнейших.

Чтоб избежать недоразумений - есть несколько понятий с таким названием:
1. Соотношение связывающее колебания возникающие при обтекании препятствия со скоростью среды (пение проводов на ветру, свист падающей бомбы). Связано с Re и составляет ~ 0.2*Re. Этот случай нас не интересует;
2. Для случая течения в трубе - это соотношение между типичным размером порта и амплитудой колебаний частиц на его выходе.
Для устойчивых колебаний (без срывов и завихрений) такое соотношение должно быть больше единицы. Это условие и является важнейшим для нас. Отметим, что это именно краевое условие и по-идее не имеет отношнения к тому, что происходит в самом канале.

Посмотрим, что это означает на практике. Выберем типичные значения.
Для типичных скоростей на выходе канала ~10 м/с, амплитуда колебаний на частоте f составит
X = v/(2*Pi*f)
Или ~ 4 см для f = 40 Гц. То есть для типичного размера канала ~10 см параметр Строухала формально выполняется.
Но учитывая принятые в этой области довольно широкие трактования понятий, под "характерным размером" я склонен понимать именно радиус закругления фланцев порта.

Для случая ламинарного порта, это означает, что канал сначала должен стать выше (при этом критерий Рейнольдса не меняется), а потом соответствующим образом закруглиться.
Как пример: ламинарный порт с высотой шели 4 мм должен иметь скорость не выше 10 м/с (критерий Re). Возле выхода этот канал расширяется до 16 мм, при этом скорость падает до 2.5 м/с, и критерий Строухала будет 1.6 - больше единицы.

На практике, края такого порта стоит закруглить радиусом 16 мм. От такого порта можно ожидать, что он будет бестурбулентным.
Открытый вопрос - длина зоны перехода от плоской щели к выходному раструбу. Понятно, что он должен быть плавным, но от оценок я пока воздержусь.


Таким образом, приходим к своеобразным "песочным часам". Единственное отличие, при выборе их геометрии можно попробовать предварительно оценить размеры.

Ну и главное, зная критерии нормального выхода воздуха из порта, вполне можно в самом порту пойти на увеличение скоростей до условий 2300 < Re < 10000. То есть в область, где движение хотя и нейстойчиво, но при определенных условиях еще ламинарно. Главное - обеспечить выход при числах Строухала больше единицы.

Попробуем оценить такой порт. Выберем Re = 8000. Тогда при скорости 10 м/с ширина шели может быть увеличена до 14 мм. В раструбе можно сделать высоту щели побольше, например 26 мм. Скорость упадет до 5.4 м/с; на 40 Гц это даст ~20 мм амплитуды, что означает, что критерий Строухала выполняется: 26/20 = 1.3 > 1. остается только закруглить края и, по идее, это все.

---комментарий---------
Вот это все, все что написано в данном посте стоит воспринимать как очень грубую и примерную оценку. просто в порядке дискуссии. Никакие претензии на некую точность и корректность высказываний не принимаются .

[ViktKors]

Второй момент: "сышу/не слышу" - очень зависит от расстояния до порта. Если ухо рядом с портом, шумы слышны даже при малых уровнях сигнала.

На основании опыта, я тоже именно так думал!!! потому и удивился очень, когда не нашел ничего, то есть реально ничего, хоть в порту, хоть рядом на довольно серьезных амплитудах (полтора ватта это совсем не мало). А когда это совпало еще и с рейнольдсом...
Правда когда в корпусе был поглотитель - постоянно что-то шуршало.. Нужны доказательства бесшумности?

---дополнение--------------------------------------
Стоит заметить, что упоминаемый в статье критерий Строухала формально выполнялся при тех условиях, когда шумов не наблюдалось. Амплитуда колебаний была ~ 5 мм при высоте порта 45 мм, то есть критерий Строухала 45/5 = 9 > 1.

[Yauhen]

В материале по ссылке 1 говорится, что практический верхний предел числа Рейнольдса для портов громкоговорителей может достигать 100 000.

[ViktKors]

В материале по ссылке 1 говорится, что практический верхний предел числа Рейнольдса для портов громкоговорителей может достигать 100 000.

Ну да, а еще говориться, что уже при 50000 начинаются очень серьезные проблемы.

И более того, там есть графики с разными зависимостями от Re; обратите внимание, только до Re ~ "несколько тысяч" все хорошо.

И кстати, там по умолчанию предполагается, что Re как критерий вполне применим. Иначе чего-ради строить такие графики. А большую часть времени, именно правомерность такого применения Re я тут и обосновываю, поминая всуе масштабные модели небоскребов-самолетов.

Числа Рейнольдса - это ещё не всё, совершенно нельзя опираться только на них. И в работе по первой ссылке это обосновывается.

Ну как же "нельзя опираться" если на странице 29 в статье явно говорится, что обмеряли разные ящики, с разными портами и объемами:

"Of the enclosures tested, one had a large single rectangular port, one had three circular ports, and one had four rectangular ports... The area of each port was different in each case, the boxes were tuned differently, and each had different volumes."

А в итоге получились одинаковые кривые (построеные в координатах чисел Рейнольдса)

"What stands out is that, for the most part, all three designs show very similar compression curves at all frequencies tested"

Но если Вы хотели сделать акцент на "нельзя опираться только на них", то я с Вами согласен, критерии для беспрепятственного выхода воздуха из порта наружу важны в неменьшей степени. Вынужден признать, что несколько недооценивал проблему, когда надеялся, что низкие Re решат ее автоматически.


Кстати, в упомянутой статье отмечается (страница 21), что у портов с хорошо закругленными краями (в отличие о простых) шумы, в основном генерируются в объеме порта:
"The more flared port shows the vortices being generated inside the port, whereas the straighter port shows the vortex shedding occurring nearer the port ends"

То есть проблема краевых эффектов вполне может быть решена, и уж точно не доминирует над проблемами турбулентности в теле трубы.
Учитывая, что при движении с низкими Re, проблему шумов в теле можно решить, проблема краевых эффектов не выглядит непреодолимой. Что вселяет надежду.

[Yauhen]

ViktKors,
Вот абзац, проясняющий ситуацию:

Flow can be laminar or turbulent, with the commonly accepted transition between the two occurring near Red = 2300 for pipes. This value is accurate for commercial pipes, but the critical Reynolds number can be much higher if the pipe has flared ends or smooth walls. For example, even for a rather large 4-in (102-mm) port tube this would predict that turbulence would commence at velocities above 0.35 m/s, a very low velocity indeed. A practical upper limit for the Reynolds number obtainable in loudspeaker ports is on the order of 100 000.

То есть проблема краевых эффектов вполне может быть решена, и уж точно не доминирует над проблемами турбулентности в теле трубы.
Учитывая, что при движении с низкими Re, проблему шумов в теле можно решить, проблема краевых эффектов не выглядит непреодолимой. Что вселяет надежду.

Есть основания считать, что она уже решена или почти решена. Сверх этого ничего сказать не могу

[ViktKors]

Вот абзац, проясняющий ситуацию
"Flow can be laminar or turbulent, with the commonly accepted transition between the two occurring near Red = 2300 for pipes. This value is accurate for commercial pipes, but the critical Reynolds number can be much higher if the pipe has flared ends or smooth walls. For example, even for a rather large 4-in (102-mm) port tube this would predict that turbulence would commence at velocities above 0.35 m/s, a very low velocity indeed. A practical upper limit for the Reynolds number obtainable in loudspeaker ports is on the order of 100 000."

Ничего не понимаю. Так а в чем противоречие? Уже при 0.35 м/с ожидается турбулентное движение. Авторы статьи говорят, что это очень низкая скорость. Ваш опыт говорит, что шум (проявление турбулентности) есть всегда, вероятно и при этих 0.35 м/с тоже - это и в самом деле низкая скорость, и уровень сигнала еще очень низок, а шум есть, как и говорит теория - с этим все вроде согласны.
С тем, что при гладких стенках переход может быть гораздо позже чем при 2300 тоже никто не спорит, я кучу страниц назад упоминал диаграммы Moody, которые это количественно показывают (см вики на английском). Они показывают, что даже при Re = 1 000 000 движение может оставаться ламинарным. Эти-же диаграммы есть и в статье.

А разогнать воздух до Re 100 000 тоже не проблема - с большим динамиком и при большом порте - на раз-два. Что тут необычного? Конечно будет шуметь - с этим тоже никто не спорит. Только в той-же статье делается вывод, что больше 50000 делать уже не стоит - начинается компрессия и прочие прелести. И главное, то что что они начинаются, тоже все знают. Несколько необычно для форума только, что этот порог описывается в числах Re.

Как вышеприведенная цитата обосновывает то, что
"Числа Рейнольдса - это ещё не всё, совершенно нельзя опираться только на них. И в работе по первой ссылке это обосновывается"
непонятно.

Честно, никак не пойму, где тут противоречие с тем, что я говорю? И в чем неприменимость понятия Re, тем более в этой статье, которая использует именно его, и дает рекомендации выраженные именно в числе Re? Тем более если проблема краевых эффектов (это область где, очевидно, одного Re недостаточно) как Вы сами говорите "уже решена или почти решена"


--------------------------
Я хочу одну простую вещь. Мы легко можем рассчитать частоту наструки фаза, оптимальный объем, худо-бедно даже площадь порта. Что принципиально мешает нам оценивать еще и его шумность? Мы ведь не подбираем больше объем на слух, мы примерно знаем чего от какого ящика нам ждать; что мешает нам оценить чего ждать от какого порта? Отсутствие ясных критериев? - Неочевидно. Есть критерий Рейнольдса, им успешно пользуются при исследованиях аэродинамики масштабных моделей в аэродинамических трубах. Что мешает нам отмасштабировать нешумящий (малошумящий порт)? В моем опыте есть порт, который только при Re 2700 начинает едва заметно шуметь. Почему не должно работать масштабирование этого порта?

Offтопик:
Скорей бы уже динамики пришли..

[funny the rat]

А разогнать воздух до Re 100 000 тоже не проблема - с большим динамиком и при большом порте - на раз-два.

Как это так? при постоянном объемном смещении, чем больше сечение порта тем скорость ниже

[ViktKors]

Как это так? при постоянном объемном смещении, чем больше сечение порта тем скорость ниже

Я не совсем однозначно выразился. Просто, чем больше сечение порта - тем больше его диаметр - тем больше Re, так, что чтоб не улететь в запредел порт можно увеличить, Re при этом будет снижаться с увеличением диаметра только линейно.


В статье речь шла о двух 12 дюмовых длинноходниках. Это ~ 1000 см2 площади, скажем при Xmax ~ 1 см это легко даст объемное смещение порта ~3000 см2.
На порту 10 х 10 см, это даст 0.3 метра амплитуды, что при частоте 30 герц означает 56 м/с; и Re ~ 300 000.
То есть даже слишком много, чтоб стало 100 000 порт нужно еще и увеличить..

funny the rat , как Вы находите результаты из статьи по поводу фланцев?

[funny the rat]

Что принципиально мешает нам оценивать еще и его шумность?

Абсолютно ничего не мешает, в чем собственно проблема-то?

Я не вижу смысла рассматривать порт в отрыве от габаритов ящика и используемой головы. Т.к. для некоторых вариантов такая проблема как шум порта просто не существует (шумы пренебрежительно малы). Я видел вариант портов построенныx снаружи ящика причем загнутыx на 90 аж три раза, скорость потока сниженная за счет большого сечения гарантировала отсутствие шумов. Как пример большинство pro акустики и многие домашние напольники. Как только перемешаемся к тяжелым домашне-киношным длинноходовикам и в автосаунд, картина заметно меняется.

---------- Добавлено в 17:34 ---------- Предыдущее сообщение в 17:25 ----------

тем больше его диаметр - тем больше Re

с чего это вдруг при уменьшающейся скорости

[ViktKors]

с чего это вдруг при уменьшающейся скорости

Ну там же дальше стоит диаметр - линейно растет, а скорость квадратично падает, в итоге - Re линейно падает, а не квадратично, как иногда кажется.
Для щелевых портов при большом отношении сторон, Re вообще практически не зависит от меньшего размера щели.

---------- Добавлено в 23:49 ---------- Предыдущее сообщение в 23:40 ----------

Абсолютно ничего не мешает, в чем собственно проблема-то? Я не вижу смысла рассматривать порт в отрыве от габаритов ящика и используемой головы.

Как только перемешаемся к тяжелым домашне-киношным длинноходовикам и в автосаунд, картина заметно меняется.

Конечно же Вы правы, для больших ящиков шум не является критичным, но тогда и проблемы не возникает.. Проблема возникает для малых портов, а рецептов, кроме увеличивайте площадь, закругляйте концы никто никаких не дает, причем никаких оценок и гарантий тоже нет... И Вы ведь отдаете себе отчет, что оптимальная площадь зачастую просто недостижима, и что делать?..

---------- Добавлено 10.06.2010 в 00:22 ---------- Предыдущее сообщение 09.06.2010 в 23:49 ----------

Есть основания считать, что она уже решена или почти решена. Сверх этого ничего сказать не могу

Ну, честно говоря, после обсуждаемой статьи, я даже не знаю какие вопросы к конструированию турбулентных портов могут еще возникнуть.

Полагаю, что данная статья, пусть и в английском варианте, просто просится быть помещенной в "Базу знаний".
Еще раз спасибо D.D.N. за то, что выложил эту статью, я таки не смог ее найти, хотя и был в ней сильно заинтересован.

[funny the rat]

Просто, чем больше сечение порта - тем больше его диаметр - тем больше Re, так, что чтоб не улететь в запредел порт можно увеличить, Re при этом будет снижаться с увеличением диаметра только линейно.

просто неудачно выразились противоречие в одной фразе

диаметр - линейно растет, а скорость квадратично падает, в итоге - Re линейно падает

Определитесь уже: растет или падает

funny the rat , как Вы находите результаты из статьи по поводу фланцев?

Так и нахожу "то о чем так долго говорили большевики" Статья оченнь полезная особенно интересно было почитать о работе порта на очень высокой мощности jа давно уже не flared портов не делаю и стараюсь выводить их назад из-за среднечастотной грязи которая через порт лезет.

Проблема возникает для малых портов, а рецептов, кроме увеличивайте площадь, закругляйте концы никто никаких не дает, причем никаких оценок и гарантий тоже нет... И Вы ведь отдаете себе отчет, что оптимальная площадь зачастую просто недостижима, и что делать?..

да в общем то других рецептов и нет кроме - увеличивайте площадь, закругляйте концы

P.S. Кстати заметили что встречалась оценка пограничного слоя в 1мм. это причина малой эффективности очень узкого порта, пусть даже и необходимой площади

То есть проблема краевых эффектов вполне может быть решена, и уж точно не доминирует над проблемами турбулентности в теле трубы.

это я ранее пропустил
именно что доминирует, решаем краевые проблемы о течении в теле гладкой трубы можно не беспокоится

[Yauhen]

Ничего не понимаю. Так а в чем противоречие? Уже при 0.35 м/с ожидается турбулентное движение. Авторы статьи говорят, что это очень низкая скорость. Ваш опыт говорит, что шум (проявление турбулентности) есть всегда, вероятно и при этих 0.35 м/с тоже - это и в самом деле низкая скорость, и уровень сигнала еще очень низок, а шум есть, как и говорит теория - с этим все вроде согласны.
С тем, что при гладких стенках переход может быть гораздо позже чем при 2300 тоже никто не спорит, я кучу страниц назад упоминал диаграммы Moody, которые это количественно показывают (см вики на английском). Они показывают, что даже при Re = 1 000 000 движение может оставаться ламинарным. Эти-же диаграммы есть и в статье.

Так я и говорю, что не надо жёстко привязываться к каким-то конкретным значениям Re и опираться только на них.
При скорости 0,35 м/с турбулентность... А вы понаблюдайте как-нибудь за облаками. Иногда видно, что облако идёт с большой скоростью, но несмотря на это, оно практичекси не меняет форму. Справедливости ради, иногда бывает наоборот: оно почти стоит на месте, но меняется восходящими потоками.
Если все частицы воздуха движутся в одном направдлении, то скорость сама по себе не имеет значения для возникновения турбулентности. Турбулетность возникает при отклонении направления частиц от общего вектора потока, что вызывается сопротивлением потоку: всречным или боковым. Если воздушный поток ограничен каналом, добавляется влияние приграничного слоя и геометрии канала.

Как эта фраза:

Ну, честно говоря, после обсуждаемой статьи, я даже не знаю какие вопросы к конструированию турбулентных портов могут еще возникнуть.

Стыкуется с этой?

То есть проблема краевых эффектов вполне может быть решена, и уж точно не доминирует над проблемами турбулентности в теле трубы.
Учитывая, что при движении с низкими Re, проблему шумов в теле можно решить, проблема краевых эффектов не выглядит непреодолимой. Что вселяет надежду.

Так есть проблема, или нет?

Разумеется, она НЕ непреодолима. А впросов осталось немало. Например, какая образующая обеспечит наименьшие потери? Вариант "универсальная 0,5" меня не устраивает. Сразу вопрос: почему 0,5, а не 0,47 к примеру? Эмпирика. Недостаток данных практических или аналитических.
Некоторые эксперименты поставлены некорректно, и/или где-то нам говорят не всё. Полхоже, авторы считают эти моменты несущественными, и в этом их главная ошибка. Именно потому у них нет ответа, какой должна быть идеальная образующая. Чуть-чуть не дотянули до посадочной полосы.

[ViktKors]

Ну про проблему краевых эффектов тут много говорили, подразумевая, что там очень много неизвестного, спорить с этим я не стану. Говорить о полностью решенной проблеме краевых эффектов - явное преувеличение.
С другой стороны эта проблема довольно исследована и многие варианты вполне приемлемы. В этом смысле, на практике есть приемлемые решения.
Правда эдак дикутируя легко сорваться в демагогию, но на самом деле ведь понятно о чем идет речь..

Говоря о отсутствии вопросов к конструированию - я имел в виду свое глубоко личное впечатление о статье. У меня и в самом деле пока нет вопросов, указания на решения которых там нет. Причем с количественными оценками, не станем же мы действительно всерьез обсуждать разницу между 0.47 и 0.5

Вариант "универсальная 0,5" меня не устраивает. Сразу вопрос: почему 0,5, а не 0,47 к примеру? Эмпирика. Недостаток данных практических или аналитических.
... Именно потому у них нет ответа, какой должна быть идеальная образующая.

Ну там же есть довольно подробная дискуссия по поводу образующих, приводятся разные случаи и даются рекомендации в зависимости от поставленных приоритетов.
Заметили, что случай 0.5 просто показан как некий усреденнный оптимум и оговорено, что он меняется в зависимости от задачи?
Как-то:
для случая сравнительно малых скоростей и приоритета искажений - порт должен быть более трубчатым;
чтобы избежать формирования струи - более кривой, но это в свою очередь вызывает повышенную компрессию и т.д..

То есть, как врочем и везде, идеальный порт - плод компромиссов (нет однозначной "идеальной образующей"), а пути поиска таковых вполне ясно намечены. Ну опять же, если не рассуждать всерьез о разнице между 0.47 и 0.5..

Приоритет для меня - для небольших полочников от которых не требуется большой SPL, а "правильный" порт у которых обычно просто не влазит в ящик - приоритетом являются отсутствие шумов и минимум искажений. Я и пытаюсь нащупать решение в ламинарной области вблизи Re ~ 2300.

Если все частицы воздуха движутся в одном направдлении, то скорость сама по себе не имеет значения для возникновения турбулентности. Турбулетность возникает при отклонении направления частиц от общего вектора потока, что вызывается сопротивлением потоку: всречным или боковым. Если воздушный поток ограничен каналом, добавляется влияние приграничного слоя и геометрии канала.

Не совсем так. Поспотрите на Рис. 17 Он как раз и иллюстрирует поведение воздуха в порту, там только не показано (хотя явление и объясняется в тексте), что вихри довольно быстро заполняют всю трубу, а не ограничаваются приповерхностным слоем. Это стоит объяснить подробнее.
Наш поток движется от входа к выходу, скорость перемещения потока - постоянна во всем объеме, кроме тонкого слоя в 1 мм возле поверхности - все как Вы и представляете. Но! по всему объему в воздухе существуют вихри, они поначалу мало мешают движению потока, но вызывают шум. Понимаете, вихри движутся как целое (!), с переносом массы воздуха от входа к выходу все в порядке, а вот в самой массе - нет - там вихри, которые шумят уже при 0.35 м/с скорости потока. Вот это явление и есть турбулентность, при ламинарности вихрей еще нет. Потому-ли, что они просто не могут возникать (вязкость большая - докритическая область), или потому что их пока ничто не спровоцировало (большие Re при гладких стенках и хороших фланцах) - это не важно.

---------- Добавлено в 12:17 ---------- Предыдущее сообщение в 12:07 ----------

P.S. Кстати заметили что встречалась оценка пограничного слоя в 1мм. это причина малой эффективности очень узкого порта, пусть даже и необходимой площади

Верно, на одной из первых страниц я тоже делал такую оценку для турбулентного движения, правда отвечал не Вам. И это отлично согласуется с падением добротности для очень узких щелей, но практически теряет смысл для ламинарного порта - там вся щель - пограничный слой, но поскольку энергия не теряется на образование турбулентных вихрей потери такого порта более чем приемлемы уже при щелях от 4 мм. Естественно (и об этом написано во вложении) преход к турбулентности практически "выключает" порт.

---------- Добавлено в 12:23 ---------- Предыдущее сообщение в 12:17 ----------

А вы понаблюдайте как-нибудь за облаками. Иногда видно, что облако идёт с большой скоростью, но несмотря на это, оно практичекси не меняет форму.

Стоп турбулентность при малой скорости подразумевает, что и вихри - медленные. Если воздушная масса идет со скоротью 0.25 м/с и она турбулентна, то скорость вихрей того-же порядка, а вот размер - соответственно гигантский, то есть чтоб их заметить нужно наблюдать подольше за большими пространствами. Это вполне реализуемо - откройте любой погодный сайт и включите анимацию спутниковой картинки. Едва-ли там найдется хоть какой-то ламинарный участок..

[Yauhen]

не станем же мы действительно всерьез обсуждать разницу между 0.47 и 0.5

Хорошо, как скажете.

Стоп турбулентность при малой скорости подразумевает, что и вихри - медленные. Если воздушная масса идет со скоротью 0.25 м/с и она турбулентна, то скорость вихрей того-же порядка, а вот размер - соответственно гигантский.

Стоп Мы услышим турбулентности в порте при скорости 0,35 м/с на расстояии 0,5 м от порта? И будут ли они запирать порт?

[ViktKors]

Offтопик:

"не станем же мы действительно всерьез обсуждать разницу между 0.47 и 0.5"
Хорошо, как скажете.

А вы действительно полагаете, что она будет сколько нибудь существенной? При том, например соответствующее изменение скорости (а именно она диктует проявления всех эффектов) соствляет 0.5 дБ, а с учетом погрешностей эксперимента..
Если, кончено, речь не идет о чисто искусственных задачах, типа получить максимум SPL и 0.2 дБ могут стать решающими..
Впрочем, вопрос, "насколько существенно/точно" безусловно очень спорен.. и если мы не хотим скатиться к филологии лучше его оставить. Видел как бесплодны попытки объяснить студентам инженерных специальностей, почему за ответ вида A = 83,1234567 +/- 0.7654321 следует автоматически снижать оценку.

Мы услышим турбулентности в порте при скорости 0,35 м/с на расстояии 0,5 м от порта? И будут ли они запирать порт?

Но Вы говорите, что слышно всегда, то есть вероятно она есть, даже если и не слышна на 0.5 метра. Но это похоже на попытку уйти в сторону. Понятно ведь, что свести скорость в порту к такой величине на приемлемой громкости прослушивания (особенно для малых ящиков) не выйдет. Так о чем говорить?

А насчет запирания порта - запирание происходит, согласно статье, от Re ~ 50000, это вообще запредельно далеко от ламинарного режима, потому меня и не интересует.
Будет ли запирать порт - конечно, при размере порта соответствующем этим числам рейнольдса, то есть если его диаметр более 2 метров.


----------------------
У критерия Рейнольдса для движения в трубе (если я правильно помню университетский курс гидродинамики) есть простой физический смысл. Который теперь (после статьи) будет нетрудно понять.
В движущейся среде могут возникать вихри, сначала у границы, потом они рождают другие - и так пока пространство не будет ими заполнено.
Размер вихря определяется скоростью и вязкостью. Чем больше скорость - тем меньше вихрь. Соответственно, тем больше их влазит в просторанство, тем больше они поглощают энергии и тем больше шумят.

Критический критерий рейнольдса, очень грубо говоря соответствует ситуации когда размер вихря становиться равен характерному размеру канала. То есть вихрь, не успев образоваться, натыкается на стенки и рассеивается. Если число рейнольдса меньше критического, то вихрей нет, просто потому что они "не влазят" в канал. Если повысить скорость - вихри станут меньше и будут спокойно крутиться в трубе. Чтоб его погасить - достаточно сблизить стенки до размера вихря.

То есть при одинаковой скорости в любом канале будут пытаться образоваться вихри одного размера. Просто в докритическом канале, они не будут существовать.
Образование вихрей должно быть чем-то инициировано. Поэтому и в послекритических условиях вихри рождаются не всегда, например при гладких стенках.
Размер шероховатостей - точнее отношение их высоты к характерному пазмеру канала - точно такой-же параметр подобия как и сам размер канала, и при масштабировании должен соблюдаться. Другое дело, что важен он только для случаев чисел рейнольдса больше критического.


------------------------------
У меня возникает впечатление, что тут либо не понимается, либо просто не принимается вообще само понятие числа рейнольдса и не верится в возможность существования критериев подобия как таковых, причем именно в том вопоросе ради которого они и разрабатывались - при оценке степени турбулентности для разных масштабов (скорости, размера, вязкости и шероховатости).
И все призывы говорить о конкретных портах как-то меркнут на фоне неприятия многих вещей.

Давайте напрямую. Два конкретных порта, одинакового сечения (38 см2) и длины (выберем 40 см), с одинаковой скоростью потока, скажем 8 м/с. Говорим только о шуме возникающем внутри порта (мы согласились, что при определенных условиях имеем на это право).
Один порт круглый - скажем 7 см диаметр;
Другой - две плоские шели - 0.5 х 38 см.
Никто поверхности тщательно не обрабатывал.
Расчитаная, как и советует Смолл, по теории вязкости добротность обеих портов заведомо больше 10, то есть вязкие потери в них малы.

Вопрос. Как Вы считаете, они шумят одинаково (вблизи, из опыта скорее да, чем нет), они шумят по-разному (как), круглый шумит, а щелевой (как и положено в докритическом случае) -нет, реализуется какая-то иная ситуация?

[Yauhen]

А вы действительно полагаете, что она будет сколько нибудь существенной? При том, например соответствующее изменение скорости (а именно она диктует проявления всех эффектов) соствляет 0.5 дБ.
Впрочем это конечно очень спорный вопрос, "насколько".. и если мы не хотим скатиться к филологии лучше его оставить.

За лишние 0,5 дБ спортсмен-СПЛщик вас расцелует
Дело, конечно, не в самих величинах, а в подходе авторов. Рано успокоились, на мой взгляд.
Если помните, Bose выиграла судебный процесс против JBL (и "выставила её на крупные бабки"), которая использовала для своих портов образующую типа круг (эллипс).
JBL не смогла убедительно доказать, что её функция является принципиально иной, чем функция Cosh (если память не изменяет), которую использовала Bose. Если бы команда JBL копала более тщательно, они нашли бы другую функцию, которая никак не связана ни с Cosh, ни с уравнением круга, и значит, такой порт был бы патентно чистым. Но для этого нужно математическое обоснование и вывод такой функции, а не просто выбор известного уравнения и подбор его коэффициентов.
А для этого сначала нужно выаботать чёткие критерии, определяющие свойства функции. Этого в статье нет.
Вот о чём я пытаюсь сказать. Вот почему придираюсь к значениям.

У меня возникает впечатление, что тут либо не понимается, либо просто не принимается вообще само понятие числа рейнольдса и не верится в возможность существования критериев подобия как таковых, причем именно в том вопоросе ради которого они и разрабатывались при оценке степени турбулентности.
И все призывы говорить о конкретных портах как-то меркнут на фоне неприятия многих вещей.

Не совсем так.
Настороженное отношение вызывает увлечённость и вера в то, что это решение наилучшее и попытка объять необъятное с помощью одного лишь Re. Но ведь это решение (узкая щель) не является универсальным, и годится для ограниченного колтчества случаев. Да, где-то оно будет наилучшим. Для полочников, возможно будет вне конкуренции.

Давайте напрямую. Два конкретных порта, одинакового сечения (38 см2) и длины, с одинаковой скоростью потока, скажем 8 м/с. Говорим только о шуме возникающем внутри порта (мы согласились, что при определенных условиях имеем на это право).
Один порт круглый - скажем 7 см диаметр;
Другой - две плоские шели - 0.5 х 38 см.
Никто поверхности тщательно не обрабатывал.
Расчитаная, как и советует Смолл, по теории вязкости добротность обеих портов заведомо больше 10, то есть вязкие потери в них малы.

Вопрос. Как Вы считаете, они шумят одинаково (шум определяется скоростью), они шумят по-разному (как), круглый шумит (вблизи, из опыта скорее да чем нет), а щелевой (как и положено в докритическом случае) -нет, реализуется какая-тя иная ситуация?

Шумы круглого порта с обычными краями будут хоть и небольшими, но уверенно заметными на расстоянии 0,5 м. Это будут скорее шумы на срезе порта, чем "внутренние". Как в этой ситуации "вырезать наружные", так, чтобы услыхать шумы внутри порта, я не знаю.
Узкая щель: не проводил таких опытов. Скорее всего, тоже будут шумы на срезе порта. Про "внутри" ничего сказать не могу.

[ViktKors]

Yauhen, Полностью и бесповоротно согласен с Вами

Offтопик:
Жаль только, что так часто много усилий приходится прикладывать, чтоб выяснить, что разговор, в сущности об одном и том-же, но такова, видимо, специфика форумов как вида общения..
Ну может наша дискуссия кому-то окажется полезной..

Собственно задача и возникла как способ построить нешумный басовитый полочник.
Дело за столярными работами, надеюсь, что получится, если нет - все равно выложу результаты.