Acoustics of Periodic and Multiple Drop Impacts on a Water Surface

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

High-speed video filming of surface currents and synchronized acoustic measurements of the underwater sound signals of falling drops were performed in a laboratory tank. During successive falling, the main structural elements of collision of a single drop with the surface are preserved in distorted form in the flow pattern: cavity, splashes, crown, and splash; shock pulses accompanying each contact are stably repeated in the phonogram. In addition, rare resonance packets are observed. For multiple falling drops, the flow pattern changes dramatically: the main structural elements of the drop impact flow disappear, and the surface is covered with floating bubbles. The phonogram assumes the form of a noise signal, in the spectrum of which separate linear sections stand out.

About the authors

Yu. D. Chashechkin

Ishlinsky Institute for Problems in Mechanics, Russian Academy of Sciences, 119526, Moscow, Russia

Email: chakin@ipmnet.ru
Россия, 119526, Москва, пр-т Вернадского 101, корп. 1

V. E. Prokhorov

Ishlinsky Institute for Problems in Mechanics, Russian Academy of Sciences, 119526, Moscow, Russia

Author for correspondence.
Email: prohorov@ipmnet.ru
Россия, 119526, Москва, пр-т Вернадского 101, корп. 1

References

  1. Worthington A.M. A Study of Splashes. Oxford, UK: Green, and Company, 1908. 129 p.
  2. Mallock H.R.A. Sounds produced by drops falling on water // Proc. R. Soc. Lond. A. 1918. V. 95. P. 138–143.
  3. Jones A.T. The sound of splashes // Science. 1920. V. 52. P. 295–296.
  4. Чашечкин Ю.Д. Пакеты капиллярных и акустических волн импакта капли // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки. 2021. № 1(94). С. 73–92.
  5. Franz G.J. Splashes as sources of sound in liquids // J. Acoust. Soc. Am. 1959. V. 31. P. 1080.
  6. Minnaert M. On musical air bubbles and the sounds of running water // Phil. Mag. 1933. V. 16. P. 235–248.
  7. Prosperetti A., Oguz H.N. The impact of drops on liquid surfaces and the underwater noise of rain // Ann. Rev. Fluid Mech. 1993. V. 25. P. 577–602.
  8. Gillot G., Derec C., Génevaux J.-M., Simon L., Benyahia L. A new insight on a mechanism of airborne and underwater sound of a drop impacting a liquid surface // Phys. Fluids. 2020. V. 32. 062004. P. 1–10. https://doi.org/10.1063/5.0010464
  9. Чашечкин Ю.Д., Ильиных А.Ю. Эволюция формы последовательных каверн импакта свободно падающей капли // Докл. Росс. Акад. наук. Физика, технические науки. 2021. Т. 501. С. 25–33.
  10. Howe M.S., Hagen N.A. On the impact noise of a drop falling on water // J. Sound Vib. 2011. V. 330. № 4. P. 625–635.
  11. Чашечкин Ю.Д., Прохоров В.Е. Эволюция структуры акустических сигналов, вызванных ударом падающей капли о жидкость // Акуст. журн. 2020. Т. 66. № 4. С. 377–390.
  12. Beacham S.T., Tilger C.F., Oehlschlaeger M.A. Sound generation by water drop impact on surfaces // Experimental Thermal and Fluid Science. 2020. V. 117. 110138. P. 1–8.
  13. Прохоров В.Е., Чашечкин Ю.Д. Генерация звука при падении капли на поверхность воды // Акуст. журн. 2011. Т. 57. № 6. С. 792–803.
  14. Phillips S., Agarwal A., Jordan P. The sound produced by a dripping tap is driven by resonant oscillations of an entrapped air bubble // Sci. Rep. 2018. V. 8. № 1. Art. № 9515. P. 1–12. https://doi.org/10.1038/s41598-018-27913-0
  15. Prokhorov V.E. Acoustics of oscillating bubbles when a drop hits the water surface // Phys. Fluids. 2021. V. 33. P. 083314. P.1–9.
  16. Deka H., Ray B., Biswas G., Dalal A., Tsai P.-H., Wang A.-B. The regime of large bubble entrapment during a single drop impact on a liquid pool // Phys. Fluids. 2017. V. 29. 09210.
  17. Руденко О.В., Маков Ю.Н. Звуковой удар: от физики нелинейных волн до акустической экологии (обзор) // Акуст. журн. 2021. Т. 67. № 1. С. 3–30.
  18. Чашечкин Ю.Д., Ильиных А.Ю. Распад капли на отдельные волокна на границе области контакта с принимающей жидкостью // Докл. Росс. Акад. наук. Физика, технические науки. 2021. Т. 497. С. 31–35.
  19. Gillot G., Simon L., Génevaux J.-M., Benyahia L. Acoustic signatures and bubble entrainment mechanisms of a drop impacting a water surface with surfactant // Phys. Fluids. 2021. V. 33. 077114.
  20. Chashechkin Yu.D., Ilynykh A.Yu. Total coalescence, rebound and fast partial bounce: three kinds of interaction of free fallen drop with a target fluid // FDMP. 2020. V. 16. № 4. P. 801–811.
  21. Rayleigh L. On the equilibrium of liquid conducting masses charged with electricity // Philosophical Magazine. 1882. V. 14. № 87. P. 184–186.
  22. Кистович А.В., Чашечкин Ю.Д. Поверхностные колебания свободно падающей капли идеальной жидкости // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2018. Т. 54. № 2. С. 206–212
  23. van Hinsberg N.P., Charbonneau-Grandmaison M. Single-drop impingement onto a wavy liquid film and description of the asymmetrical cavity dynamics // Phys. Rev. E. 2015. V. 92. P. 013004. P. 1–12.
  24. Pumphrey H.C., Crum L.A., Bjorno L. Underwater sound produced by individual drop impacts and rainfall // J. Acoust. Soc. Am. 1989. V. 85. P. 1518–1526.
  25. Wang A., Kuan C., Tsai P. Do we understand the bubble formation by a single drop impacting upon liquid surface? // Phys. Fluids. 2013. V. 25. 101702.
  26. Knudsen V.O., Alford R.S., Emling J.W. Underwater ambient noise // J. Marine Res. 1948. V. 7. P. 410–429.
  27. Bjorno L. Underwater rain noise: sources, spectra and interpretations // J. De Physique IV. Colloque C5. Supplement de J. De Physique 3. 1994. V. 4. P. C5-1023–C5-1030.
  28. Nystuen J.A., Moore S.E., Stabeno P.J. A sound budget for the southeastern Bering Sea: Measuring wind, rainfall, shipping, and other sources of underwater sound // J. Acoust. Soc. Am. 2010. V. 128. № 1. P. 58–65.
  29. Бардышев В.И. Распределения спектральной плотности подводного шума в шельфовой зоне Тихого океана // Акуст. журн. 2010. Т. 56. № 3. С. 348–351.
  30. Ashokan M., Latha G., Ramesh R. Analysis of shallow water ambient noise due to rain and derivation of rain parameters // Applied Acoustics. 2015. V. 88. P. 114–122.
  31. Liu S., Li Q., Shang D., Tang R., Zhang Q. Measurement of underwater acoustic energy radiated by single raindrops // Sensors. 2021. V. 21. 2687. P. 1–16.
  32. Pumphrey H.C., Crum L.A., Bjorno L. Underwater sound produced by individual drop impacts and rainfall // J. Acoust. Soc. Am. 1989. V. 85. № 4. P. 1518–1526.
  33. Kathiravelu G., Lucke T., Nichols P. Rain Drop Measurement Techniques: A Review // Water. 2016. V. 8. P. 29.
  34. Fehlmann M., Rohrer M., von Lerber A., Stoffel M. Automated precipitation monitoring with the Thies disdrometer: Biases and ways for improvement // Atmos. Meas. Tech. 2020. V. 13. P. 4683–4698.
  35. Осадкомер Третьякова. https://meteo59.ru/book/ pribory-i-nablyudeniya/osadkomer.php
  36. Ma B.B., Nystuen J.A., Lien R.-C. Prediction of underwater sound levels from rain and wind // J. Acoust. Soc. Am. 2005. V. 117. P. 3555.
  37. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Механика сплошных сред. Гидродинамика и теория упругости. М.: ОГИЗ. ГИТТЛ, 1944. 624 с.
  38. Chashechkin Y.D. Foundations of engineering mathematics applied for fluid flows // Axioms. 2021. V. 10. P. 286.
  39. Эйзенберг Д., Кауцман В. Структура и свойства воды. Л.: Гидрометеоиздат, 1975. 280 с.
  40. Feistel R., Harvey A.H., Pawlowicz R. International Association for the Properties of Water and Steam. Advisory Note No. 6: Relationship between various IAPWS documents and the International Thermodynamic Equation of Seawater-2010 (TEOS-10). 2016. P. 1–5.
  41. Кистович А.В., Чашечкин Ю.Д. Динамика гравитационно-капиллярных волн на поверхности неоднородно нагретой жидкости // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2007. Т. 43. № 1. С. 109–116.
  42. Agbaglah G., Thoraval M., Thoroddsen S., Zhang L, Fezzaa K., Deegan R. Drop impact into a deep pool: vortex shedding and jet formation // J. Fluid Mech. 2015. V. 764. R1. P. 1–12. https://doi.org/10.1017/jfm.2014.723
  43. Чашечкин Ю.Д., Ильиных А.Ю. Множественные выбросы брызг при ударе капли // Докл. Рос. Акад. наук. 2020. Т. 494. С. 42–46.
  44. Гидрофизический комплекс для моделирования гидродинамических процессов в окружающей среде и их воздействия на подводные технические объекты, а также распространения примесей в океане и атмосфере (ГФК ИПМех РАН). https://ipmnet.ru/uniqequip/gfk/
  45. Чашечкин Ю.Д., Прохоров В.Е. Гидродинамика удара капли: короткие волны на поверхности венца // Докл. Акад. наук. 2013. Т. 451. № 1. С. 41–45.
  46. Чашечкин Ю.Д., Прохоров В.Е. Структура первичного звукового сигнала при столкновении свободно падающей капли с поверхностью воды // Журн. эксп. теор. физ. 2016. Т. 149. № 4. С. 864–875.
  47. Прохоров В.Е. Ударное акустическое излучение при столкновении капли изменяющейся формы с поверхностью воды // Письма в Журн. эксп. теор. физ. 2020. Т. 112. № 9. С. 591–597.
  48. Ma B., Nystuen J.A. Passive acoustic detection and measurement of rainfall at sea // J. atmospheric and oceanic technology. 2005. V. 22. P. 1225–1248.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2.

Download (1MB)
3.

Download (340KB)
4.

Download (176KB)
5.

Download (1MB)
6.

Download (167KB)
7.

Download (541KB)

Copyright (c) 2023 Ю.Д. Чашечкин, В.Е. Прохоров