книги из ГПНТБ / Кардашев, Г. А. Тепломассообменные акустические процессы и аппараты

тороидальная полость между излучателями, расположен­ ными в горле кольцеобразного экспоненциального рупора.

отличающихся в основном конструкцией устройства для

Рис. 69. Излучатель ГСИ-4:

1 — рефлектор; 2 — держатель; 3 — резонатор; 4 — сопло; 5 — контр­ гайка; 6 — штуцер

удаления отработанного воздуха [24]. Характеристики полупромышленного генератора ГСИ-4 (рис. 69) сле­ дующие: диаметры сопла, стержня и резонатора соот­ ветственно 11; 6 и 17,5 мм; глубина резонатора 9 мм; расстояние от сопла до резонатора 8,5 мм; расход

130

воздуха 2,3—2,6 м3/мин; давление (2,5—3,0) • І0б н/м2; излучаемая мощность 1,3 квт; к. п. д. 24%.

Газоструйный импульсный излучатель звука (рис. 70), разработанный А. А. Эннаном и другими в Одесском госу­ дарственном университете, представляет собой одну из разновидностей генераторов гартмановского типа. В нем предусмотрена возможность импульсной модуляции вход­ ного воздуха. Для этого струя сжатого газа, поступающая

Рис. 70. Газоструйный импульсный излучатель звука:

в сопло, периодически (с частотой до 3 гц) прерывается при помощи соленоидных вентилей типа СВА или СВФ. Для работы излучателя необходим специальный ресивер.

Газоструйный свисток В. Гавро [24] генерирует звуко­ вые колебания за счет взаимодействия тонкой струи газа с острой кромкой полости резонатора. Основная частота колебаний, излучаемых в газоструйном свистке,

где h — глубина резонатора;

К— коэффициент, зависящий от ширины отверстия ре­ зонатора;

V — объем резонатора.

Акустический к. п. д. свистка

Лак '

р а 2/г2

pcQo (^Г+лГ

где р — давление воздуха; а — ширина струи;

Q— расход воздуха;

б— ширина отверстия резонатора;

у— показатель адиабаты.

Некоторые известные конструкции излучателя пост­ роены по принципу газоструйного свистка — многосвистковая сирена В. Тавро, тороидальная сирена Р. Левавассера и «торцовая» сирена Р. Яна. Например, корпус сирены Р. Левавассера геометрически представляет собой тело вращения газоструйного свистка вокруг некоторой оси [24].

Вихревой свисток генерирует звуковые колебания дви­ жущимся по вихревой спирали потоком газа, создающим разрежение в центре камеры, которое периодически нару­ шается при прорыве в нее газа (см. стр. 121). Основная

рк, ро и рс — давление соответственно в камере свистка, окружающей среды и сжатого газа.

Для эффективной работы свистка рекомендуется сле­ дующая связь между его геометрическими" характери­ стиками:

где RK— радиус камеры; гс— радиус сопла;

rm.— внутренний радиус квазитвердого цилиндра, образующегося при вращении газа (гт<=» г —

— 0,07 см); гц— радиус цилиндра.

132

В отличие от других излучателей вихревой свисток не создает излучения по оси [37]; его излучение имеет ди­ польный характер («двухлепестковая» диаграмма направ­ ленности).

Большим недостатком многих описанных излучателей является образование звука в самом газовом потоке. Во многих прикладных задачах необходимо отделить аку­ стическое поле от газового потока. В некоторых конструк­ циях ГСИ-4 эта задача' решена отводом отработанного воздуха через специальные отверстия и коммуникации. Другой способ состоит в использовании мембран, отде­ ляющих рабочий объем от излучателя.

К разделительным мембранам предъявляют целый ряд противоречивых требований: высокая статическая и усталостная прочность, малые плотности и толщина [24 ]. Частота основного тона для круглой мембраны диамет­ ром D, толщиной d, закрепленной по периферии,

(60)

где — плотность материала мембраны; |і — коэффициент Пуассона.

Для эффективной передачи акустической энергии

Подставляя выражение (60) в неравенство (61), полу­ чаем

Выдержать это условие на высоких частотах довольно сложно, так как расчетная толщина не удовлетворяет условиям прочности. На средних звуковых частотах ис­ пользуют мембраны из полимерных пленок (лавсан, пе'р- фоль, найлон и др.) толщиной 20—50 мкм, их коэффи­ циент пропускания звука составляет 0,25—0,50, что нельзя считать удовлетворительным.

Ъ некоторых конструкциях мембрана является актив­ ным элементом излучателя. Л. Эрет и X. Ганеман [6]

133

разработали излучатель, в котором колебательной систе­ мой служит круглая мембрана, образующая заднюю стенку резонатора гартмановского излучателя; частота собствен­

излучается звук. Проведенные испытания показали, что гидропневматический излучатель представляет собой ре-

134

зонансную систему, причем в диапазоне излучаемых ча­ стот 20—200 гц был получен синусоидальный сигнал с клирфактором не более 10%. На частоте резонанса излу­ чаемая акустическая мощность достигала около 1 квт

давление в камере а падает, а в камере б растет. Под дей­ ствием противодавления в камере б и сил упругости мем­ брана совершает обратный ход и закрывает трубку 3. Этот цикл повторяется периодически с частотой, завися­ щей в основном от свойств мембраны. Таким образом, рас­ сматриваемая конструкция является типичным клапан­ ным автоколебательным устройством. Частота колебаний составляла 500 гц при интенсивности на выходе 150 дб.

АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ СИРЕНЫ

Аэродинамические сирены отличаются от статических (свистков) тем, что в них поток воздуха или газа преры­ вается периодически при вращении ротора с отверстиями или зубцами.

Существуют две разновидности динамических сирен (рис. 73) — аксиальные и радиальные, отличающиеся направлением отверстий по отношению к оси вращения ротора. В аксиальных сиренах (рис. 73, а) звук, выходя­ щий аксиально, направляют на объект экспоненциальным рупором, а в радиальных сиренах (рис. 73, б) звук, выхо-

135

дящий радиально, обычно направляют на объект параболи­ ческим рефлектором.

Теория и расчет безрупорных сирен даны М. П. Кар-

проходит воздух; переменное соп­ ротивление R (т) является аналогом периодически откры­ вающихся отверстий. Катушка индуктивности L2 и резис­ тор R2 представляют полное акустическое сопротивление

рупора.

Элементы сирены рассчитывают по следующим .урав­ нениям:

р _ 128рс _

— 9я25 ’

136

где S — сечение горла рупора;

а — радиус канала для подвода воздуха к отверстию; Q— добротность.

Для экспоненциального рупора (при любых значе­ ниях ѵ/ѵ0).

'а — 2rtv0S ’

= 1 / —ГГ —I

— h

Vo = 4л

где v0 — критическая частота рупора (при меньшей ча­ стоте звук через рупор не проходит);

ß — коэффициент расширения рупора.

Для конического рупора (при любых значениях со//с)

CoLg Сйі <?■= Ж

где I — длина рупора.

Сечение рупора меняется по закону 5 = 50еРЛ'. Пере­ менное сопротивление отверстий R (т)- определяется через мгновенную объемную скорость ѵ (т) и мгновенную пло­ щадь открытия S (т) по формуле

1у (т) I

S2 (т) •

Основная частота излучаемого звука

137

Полную акустическую мощность, излучаемую сиреной,, можно найти по приближеі формуле

Ра=* 0,57 • 1СГV 2 +1,05-10-ßan5+rv2;

здесь q — расход воздуха;

ап — коэффициент ряда Фурье для соответствующей

А — теоретическая работа адиабатического расшире­ ния 1 м3 сжатого воздуха;

можно принять равным от 0,7 до 1,4, а величины расхода, работы и скорости (в предыдущей формуле) определить из выражений

9 т ~ e O‘S o ü r>

138

Роторы сирен изготовляют из легких сплавов высокой прочности; профиль ротора описывается уравнением

У — УФ~Ьг\

где у — переменная толщина;

г— радиус;

уо— начальная толщина;

b — конструктивная постоянная.

Диаметр отверстий рассчитывают по уравнению

, _KD d°TB—2п ’

здесь D — диаметр окружности,, проходящий через центры отверстий;

п — число отверстий.

Акустический к. п. д. сирены зависит от геометрической формы и соотношения размеров отверстий в статоре и зубцов в роторе, а также от других конструктивных пара­ метров. Для прямоугольных зубцов шириной больше ширины отверстий и для прямоугольных отверстий им­ пульсы будут также прямоугольными, и к. п. д. прибли­

ß— коэффициент расширения экспоненциаль­ ного рупора.

Значения параметра у и функции ср (у) для воздуха при различном Ар = рс— рк приведены в табл. 4.

Сирены различных конструкций отличаются очень многими признаками. Как указывалось, сирены могут быть аксиальными и радиальными, ц рупором, рефлекто­ ром и без них, с разным числом отверстий различной конструкции; они могут работать с разбавлением озву­ чиваемой среды газом и без разбавления и т. д.

139