Numerical studies of aeroacoustic aspects of wind instruments

• Main Author: Da Silva, Andrey
• Other Authors: Gary Scavone (Internal/Supervisor)
• Format: Others
• Language: en
• Published: McGill University 2008
• Subjects: Applied Sciences - Applied Mechanics
• Online Access: http://digitool.Library.McGill.CA:80/R/?func=dbin-jump-full&object_id=22005

The characteristics of the dynamic flow in single-reed mouthpiece systems, as well as the influence of low Mach number mean flows on parameters associated with the acoustic radiation from wind instruments and generic waveguides are investigated in this thesis. In the first case, a numerical technique based on the lattice Boltzmann method coupled to a finite difference scheme is developed in order to investigate the fluid-structure interaction within the mouthpiece-reed system due to an unsteady low Mach number viscous flow. Results obtained for a stationary simulation with a static reed agree very well with those predicted by the literature based on the quasi-stationary approximation. However, simulations carried out for a dynamic regime with an oscillating reed show that the phenomenon associated with flow detachment and reattachment diverges considerably from the theoretical assumptions. The influence of low Mach number mean flows on the acoustic transmission properties of wind instruments and generic waveguides is also investigated by means of an axisymmetric lattice Boltzmann scheme. The results obtained from an unflanged pipe model agree very well with those provided by the available theories and experimental data. The effect of different horn types attached to the open end of a pipe is also investigated in detail. When compared to an unflanged pipe, horns act to significantly increase the gain of the reflection coefficient magnitude (| R| > 1) in the same critical regions observed in the unflanged pipe. Conversely, horns act to drastically decrease the end correction in the low-frequency limit. The results sug- gest that the magnitude of the reflection coefficient is independent of the horn geometry at low Strouhal numbers, whereas the end correction is highly dependent. When the simulations are conducted with the same parameters found during clarinet playing (catenoidal horn and very low Mach numbers), it is observed that the effect of the mean flow b === Les caractéristiques de l'écoulement dynamique dans les systèmes d'embouchure à anche simple, ainsi que l'influence d' ́ecoulements à faible nombre de Mach sur certains des paramètres li ́es au rayonnement acoustique des instruments à vent et des guides d'ondes en général sont ́etudi ́ees dans cette thèse. Dans le premier cas, une technique numérique, basée sur une méthode de Boltzmann couplée à une méthode de différence finie, est développée afin d' étudier l'interaction fluide-structure dans le systéme bec-anche qui provient d'un ́ecoulement visqueux instable de faible nombre de Mach. Les résultats obtenus, en régime stationnaire avec une anche statique, concident avec ceux prédits par la litterature qui se base sur l'approximation quasi stationnaire. Cependant, les simulations effectuées pour un régime dynamique avec une anche vibrante montrent que les phénomènes associés au détachement et au rattachement de l'écoulement divergent considérablement des prédictions théoriques. L'influence d'un ́ecoulement à faible nombre de Mach sur les propriétés acoustiques des instruments à vent et des guides d'ondes en général est ́egalement ́etudiée à l'aide d'une méthode de Boltzmann sur réseau axisymétrique. Les résultats obtenus à partir d'un modèle de tuyau non- bafflé correspondent très bien à ceux fournis par les théories disponibles et les données expérimentales. L'effet de differents types de pavillon attachés à l'extrémité ouverte d'un tuyau est ́egalement ́etudié en détail. La comparaison de ces résultats avec le tuyau non-bafflé montre que les pavillons ont pour effet d'augmenter significativement le module du coefficient de réflexion pour les mêmes régions critiques (| R| > 1) observées dans le cas du tuyau. A l'inverse, les pavillons diminuent considérablement la correction de longueur dans la limite basse fréquence. Les resultats suggèrent que l'importance du coefficient$