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¿La cantidad de información acerca de la escala de una cascada se puede obtener de su sonido?

Es posible limitar la altura, el volumen de flujo, o la distancia de una cascada desde el análisis cuantitativo de una alta calidad de grabación de su sonido?

Por otro lado, la simulación de sonidos de líquido salpicaduras o derramamiento de agua han sido sintetizadas por ordenador. El grupo que hizo esta investigación fue en la Universidad de Cornell. Esto parece como un ejemplo de una solución para el problema hacia adelante. Si usted escucha a la simulación con los ojos cerrados, se puede distinguir la cascada de la ejecución del grifo?

Los tamaños de las gotas de lluvia han sido identificados por diferentes mecanismos físicos asociados con la caída de las salpicaduras y se utiliza como base para la acústica de la lluvia-los medidores.

Mi pregunta es acerca de cómo encontrar un (parcial) de la solución para el problema inverso. Desde el sonido de las mediciones, ¿cómo podríamos diferenciar muy altas caídas de altura moderada - dicen comparar Snoqualmie Falls (82m) y Ángel (979m.)

El espectro de la cascada de sonido es cualitativamente descrito como "banda ancha" o "brown ruido" y todavía no he encontrado un buen ejemplo de un verdadero espectro acústico de una cascada.

Creo que el sonido total de energía radiada en el aire (y en la tierra) sería igual a la energía gravitacional liberada por el agua que cae de menos una pequeña cantidad de energía que se transforma en calor y calienta el agua.

A mí me parece que el espectro de un radio de 100 metros frente a una 1000m cascada podría tener de predicción de diferentes proporciones de baja frecuencia y de alta frecuencia de energía. Hay fluidos mecánica o acústica mecanismos que entran en juego para la mayor cae que no operan a bajas alturas? Podría no ser de diagnóstico de los sonidos relacionados con la cavitación?

Habrá demasiado el sonido de la reflexión y la dispersión en una verdadera cascada de agua de la cuenca para hacer las mediciones?

Mis Conclusiones

OK, creo que tengo una respuesta satisfactoria a mi pregunta y me han concedido la recompensa a zhermes. Yo creo que su respuesta describe correctamente la física subyacente del problema, y una vez que me que yo era capaz de encontrar mucha más información relevante y realizar algunas bastante aproximada de los cálculos preliminares.

En pocas palabras, el importante proceso físico puede ser la resonancia de la dispersión de sonido ambiente en el interior de la cascada turbulenta por 'la burbuja de las nubes.' Esto se conoce como Minnaert resonancia y ha sido extendida para describir "la burbuja de las nubes', así como las distintas burbujas de aire. El enfoque ha sido utilizado de manera productiva para analizar el ruido de las palas de la hélice y el sonido de las olas del mar. Me pareció una forma muy útil para empezar a pensar acerca de cómo el sonido de una cascada de agua puede ser afectada por la altura de las cataratas.

La frecuencia de resonancia de un esférica 'burbuja en la nube' es inversamente proporcional al radio de la nube. También he encontrado ejemplos de análisis que mostró ~1/f dependencia para el espectro de potencia de este tipo de ruido (según lo sugerido por zhermes demasiado.)

Así, podríamos anticipar que la baja frecuencia de corte en el poder-el espectro de la cascada de ruido puede ser determinado por el tamaño máximo de la " burbuja de las nubes.'

Uno (obvio) insight es que parece que tiene que ser el sonido generado en el paso de la piscina en la base de la cascada que contiene información acerca de la altura completa. Los sonidos originarios en el flujo de 10 metros desde la parte superior de una 1000m cae no debe ser diferente que el de 10 metros de las cataratas. Una vez que el agua cae el adicional 990m, también ha ganado más energía cinética que estarían disponibles para generar una "burbuja" nube de tener un tamaño depende de la cascada de altura.

La equiparación de la energía gravitacional de agua en la parte superior de las cataratas, la energía cinética del agua cuando llega a la caída de la piscina, y el trabajo de empujar un jet en la piscina, he calculado la profundidad máxima de la jet podría penetrar en la piscina y lo tomé como el tamaño máximo de la "burbuja nube'. Esta estimación de la "burbuja" nube de tamaño es proporcional a la inversa de la raíz cuadrada de la cascada de altura.

Sustituyendo en condiciones estándar para el agua y la presión, este análisis produjo una baja frecuencia frecuencia de corte (que fue también la frecuencia de la potencia máxima) que estaba lejos en el infrasonido rango (<20 Hz) y por debajo de la frecuencia del rango de la audición humana. La conclusión a extraer de estos cálculos puede ser que el tono de alta y baja de las cascadas no es muy diferente en el rango de la audición humana. Las diferencias podrían ser perceptible para las caídas tener grandes flujos volumétricos que son capaces de generar gran cantidad de energía, en los límites de la audición. Las diferencias también pueden ser percibida (se sintió más que oyó) como infrasonidos.

Tal vez esto explica por qué las grabaciones en MP3 de saltos de agua, cascadas, arroyos y sonido tan similar? Nos pueden faltar en la información que llega a nosotros como infrasonidos.

20voto

Isak Savo Puntos 15357

Por favor, tenga en cuenta que la siguiente es todo lo conjetural. Yo sólo voluntario debido a la falta de otras respuestas después de varios días, el frescor de la pregunta, y la que probablemente sea la falta de personas y/o referencias en los que explícitamente se tiene experiencia en este tema específico.

Imagen Básica

Como en general la relación, estoy seguro de que uno puede correlacionar el volumen de sonidos con el total de la energía que se disipa --- pero el ruido producido va a ser (casi) insignificante fracción de la energía total (en general, el sonido de la caries muy poca energía1).

A orden cero, creo que es seguro asumir que la cascada produce ruido blanco, pero obviamente que tiene que ser modificado para ser más exactos (es decir, probablemente, rosa/marrón a primer orden). También, teniendo en cuenta la transición de un pequeño/pendiente gradual, a una cascada, puedo convencerme a mí misma de que no es, definitivamente, la dependencia de la altura de la caída de agua-volumen2.

¿Cómo altura efecto el espectro?

General de energía de los espectros de exhibición de alta y baja energía de ley de potencia (como) los puntos de corte, y yo esperaría lo mismo en este caso. En la baja frecuencia régimen, si usted comienza con un flujo suave antes de la cascada, no hay nada a la fuente de las perturbaciones más grande que el tamaño de escala de la cascada. Así que, me gustaría esperar una baja energía de corte en una longitud de onda comparable a la de la cascada de altura. En otras palabras, el más alto de la cascada, el menor de los ruidos de fondo.

Allí también tiene que ser una alta energía de corte, si no por otra razón, para evitar una catástrofe ultravioleta/divergencia. Pero físicamente, ¿qué lo causa? Presumiblemente, la escala más pequeña (frecuencia más alta) perturbaciones provienen de flujo de turbulencia3, y por lo tanto estaría determinado principalmente por la viscosidad y la disipación del fluido4. Generalmente un espectro cae como el número de onda (frecuencia) a la -5/3 el poder. Pero tenga en cuenta que esta alta frecuencia de corte no parecen cambiar de cascada de agua de la cascada.

En general, estoy sugiriendo (lea: las conjeturas) los siguientes:

  • De baja frecuencia de la exponencial o ley de potencia de corte en las longitudes de onda comparables a la altura de la cascada.
  • Alta frecuencia de ley de potencia de corte a partir de un test de kolmogorov turbulencia del espectro, en una longitud de onda comparable a la viscoso longitud de la escala.
  • Estos regímenes de estar conectados por una rosa/marrón-ruido de ley de potencia.
  • La amplitud del sonido es directamente proporcional al producto de la velocidad de flujo y la altura de la cascada (supongo que el ex-plazo habría de dominar).

E. g.: El siguiente espectro de potencia (potencia en función de la frecuencia, tanto en unidades arbitrarias).

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La Respuesta

Estoy seguro de que la información puede ser obtenida a partir de la de sonido. En particular, las estimaciones de su altura, tamaño, velocidad de flujo, y la distancia5. También estoy seguro de que esto iba a ser muy difícil en la práctica y, para la mayoría de propósitos, escuchar y adivinar podría ser tan precisa como cualquier análisis cuantitativo ;)


Una consideración adicional?

Supongo que su posible vestigio de agua(dejar)s podría fuente de sonido adicionales en escalas comparables a los de su mismo tamaño. Eso sería genial, pero no tengo idea de cómo estimar/supongo que si eso es importante o no. Probablemente sólo podría contribuir a sonar en las longitudes de onda comparable a su tamaño (y por lo tanto limitado por max/min de agua de tamaños de gota6...).

El agua, especialmente en un vapor/aerosol, puede ser muy eficaz en la amortiguación de sonido (a la que se uso para el espacio-traslado). Yo supongo que esto tendría un efecto significativo en el sonido resultante para las alturas/flujo de volúmenes en el que un vapor/aerosol que se produce.

Las propiedades acústicas del paisaje también podría ser importante, es decir, si el paisaje es abierto (con la cascada de "drop-off" como un paso a la función) o cerrado (como la caída de estar en la final de una forma de u del valle, etc).

Finalmente, el additoinally las superficies involucradas podrían ser importantes a tener en cuenta: por ejemplo, las rocas, la superficie de la cascada de " drop-off, la arena cerca de la cascada de base, etc, etc.


Notas a pie de página

1: Considerar la cantidad de sonido de 60 Vatios amplificador genera y asume tal vez un 10% de eficiencia (probablemente optimista). Que fuerte, y la realización de una pequeña cantidad de energía en comparación con lo que un comparables con volumen cascada está llevando. La vasta mayoría de la cascada de la energía va a terminar como el calor, la turbulencia, y a granel-movimiento.

2: también me gustaría, supongo que la altura/volumen de la mezcla después de algún punto de saturación (es decir, 1000 m3/min a 20m de altura es aproximadamente igual a 500 m3/min a 40 m de altura)... pero vamos a ignorar que, por ahora.

3: Turbulencia tiende a transferir la energía de los grandes escalas pequeñas escalas.
Ver: http://en.wikipedia.org/wiki/Turbulence

4: averiguar la verdadera relación de la talla más pequeña escala de la turbulencia es tanto por encima de mi cabeza y, creo, fuera de la escala de esta "respuesta". Pero implica cosas como el test de Kolmogorov espectro, y asociados a la escala de longitud.

5: la Distancia puede ser estimaciones basadas en una combinación de espectro y el nivel de volumen - para desenredar la degeneración entre el sonido-volumen y la distancia.

6: Quizás el tamaño de gota mínimo es determinado por ella comporta ballistically (en lugar de formar una niebla)?

5voto

Force Flow Puntos 123

excelente debate, actualmente estoy investigando a pequeña escala de caídas de agua en el reino unido. En mi investigación hasta el momento el uso de 1/3 de octavas he encontrado los espectros de varios en forma de cascadas a ser similar (y una combinación de Rosa y negro). Características especiales, las rocas, la curvatura, la altura de la cabeza, parecen tener un efecto considerable como el ancho y el ángulo de inclinación con la que el agua de los impactos de las aguas abajo de la superficie/piscina (ya que no todos tienen grandes piscinas) tengo la señal de grabaciones y podría, en efecto post-proceso en mucho menor bandas de frecuencia.

En adición a esto, el tamaño de efecto, los resultados muestran que varios de los parámetros medidos en los sitios de campo contribuir variando el tamaño grande de los efectos a diferentes frecuencias en una forma no lineal fassion y estocásticamente en algunos casos.

Hay un libro llamado la Acústica de la burbuja por T Leighton que puede agregar algunos locos de matemáticas para aquellos que se preocupan; es mi creencia de que la formación de burbujas de tener un impacto significativo en los espectros registrados desde el estallido de la burbuja a la absorción de sonido en ciertas frecuencias.

3voto

Kuvo Puntos 478

Aunque no tengo la ambición completamente de responder a la pregunta (no soy un experto en acústica o la mecánica de los fluidos), voy a tratar de compartir mi punto de vista de las cosas con todo el mundo. Esperemos que alguien se dé cuenta y ser capaz de llegar a algún lugar de allí.

Sugerir a la determinación de tres parámetros principales de altura, caudal y de la distancia mediante el análisis de la grabación del sonido. En primer lugar, usted va a tener graves dificultades para encontrar la distancia. Aunque, en un escenario ideal, la intensidad del sonido debe seguir el inverso de la ley del cuadrado de la distancia, será en gran parte afectada por el terreno que en la práctica. Considere la posibilidad permanente escondido detrás de una gran roca o en una línea directa de vista de la cascada, con tanto que las distancias sean iguales. En el primer caso el sonido definitivamente va a ser notablemente más débil. El sonido también probablemente difieren cuando usted está de pie en un valle de la médula o en un avión.

Así que vamos a saltar la distancia. Supongamos que tenemos un buen lugar cerca de varias cascadas de agua, cada similares y en condiciones similares. Ahora, sólo estamos interesados en la altura y el caudal de la cascada. Estoy de acuerdo con usted en que la energía del sonido será dada por la energía gravitacional de la caída de agua, pero en algunos de fricción, un posible cambio en la energía cinética del agua y la pérdida debido a la turbulencia del flujo. Ahora, la primera cosa que no estoy seguro es, ¿cómo son estas pérdidas, afectado por la altura o el flujo de la cascada? Serán las pérdidas cambiar linealmente con estos parámetros o es la relación más compleja? Y hay otros factores que pueden jugar un papel?

Segunda pregunta importante es, ¿cómo es el sonido de la cascada afectados por su altura y flujo? ¿Uno de ellos tienen un fuerte impacto en el espectro de la otra? O ¿una cascada con una altura $h$ de flujo y $Q$ tienen el mismo sonido como una cascada con una altura $2h$ y flujo de $P/2$? En mi ignorancia, también es posible que el espectro no será afectado en todos y sonido a la misma, sólo que con diferente intensidad.

A mi (falta de) conocimiento, estas preguntas no respondidas a través de simples predicciones teóricas y el único camino posible para encontrar una solución podría ser la de medir directamente el sonido de varias cascadas y comparar. Pero como dije, no soy experto en este campo y así podría estar completamente equivocado.

Finalmente, como aplicación práctica se refiere, va a ser muy difícil medir el sonido de diferentes cascadas, en las mismas condiciones. El sonido se verá fuertemente afectada por la reflexión (si usted tiene rocas por todas partes, la reflexión será más fuerte que en el medio de un bosque), o de otras fuentes de ruido (tales como el flujo de agua por debajo o por encima de la cascada). Pero uno moght ser capaz de eliminar estas en el post-procesado si uno sabe las condiciones en las que la grabación fue tomada.

Antes de terminar, una vez más, recuerdo que yo no soy un experto en los campos de la acústica o en el campo de la dinámica y es posible que mi argumentación es errónea. Pero creo que este post puede iniciar una discusión que conduzca a un resultado concluyente.


Edit: Como me fue apuntado por BrianWa en los comentarios, la altura de la catarata afecta a la velocidad de las gotas que caen y esto sin duda va a afectar el espectro del sonido. Sin embargo, creo que este cambio será observable sólo hasta una altura tal que la resistencia del aire durante la caída se compensa la gravedad y la gota de agua no aumenta la velocidad más. Todas las cascadas más altas de este umbral, por lo tanto probablemente tienen el mismo (o muy similar) espectro de sonido.

1voto

Amit Puntos 503

Me gustaría especular que la mayor caída, hasta cierto punto, el más rápido el agua en la superficie es empujado hacia abajo como resultado de la cascada de golpear la superficie. De manera que puede haber un efecto Doppler dentro de la burbuja que comprime el sonido bajo el agua más para mayores caídas.

Sea o no esto afecta bastante a la del sonido durante el estallido de tiempo es cuestionable. Me imagino un más rápido avance de la pared de la parte superior de la burbuja crea una mayor frecuencia de los sonidos. Pero el oído humano no puede discriminar diferentes frecuencias que están demasiado cerca el uno del otro (enmascaramiento en la psicoacústica).

Por lo tanto el análisis espectral que habría que hacer. Analíticamente, me gustaría especular masa se desplaza de las más bajas a más altas frecuencias, en todo el espectro, para los mayores saltos de agua (hasta ciertos límites debido a la velocidad terminal).

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