книги из ГПНТБ / Дмитриев, В. Н. Основы пневмоавтоматики

у. e. k = > 1 . Так как струя на выходе из сопла расши­

ряется, то такой выбор соотношения dp п dK обеспечивает более полное использование энергии струп. Однако увеличивать диа­

получили распространение свистки с цилиндрическим резонато-

Издаваемый свистком при нормальном питающем давлении р0

звук не является звуком пластинки («колеблющегося ножа»), на который набегает вытекающая из прямоугольного сопла струя, усиленного цилиндрическим резонатором. Так, если струя воздуха набегает на нож без резонатора при нормальном дав­ лении питания ро, равном примерно 0,005 МПа, что соответ­ ствует скорости 42,7 м/с, звук не возникает, каково бы ни было относительное расположение ножа 1 и сопла 2 (рис. 187,6). При нормальном питающем давлении ро звук также не появ­ ляется, если нож 1 с соплом 2 находится на некотором расстоя­

становится краем резонатора.

330

При работе свистка в нормальных условиях звук получается чисто синусоидальным и почти без гармоник.

Если давление р0 повышается, то появляется «звук струи» и

■свисток имеет цилиндрический резонатор, то часть струп, попа­ дая в последний, завихряется и, выходя через прорезь, отклоняет периодически основную струю. Этим объясняется ■большая мощность, излучаемая таким свистом при ро = = 0,2 -у- 0,3 МПа, т. е. при сверхзвуковом истечении из сопла.

При небольшом давлении питания (нормальном) явления протекания струн по внутренней стенке резонатора (завихре­ ние струн) не обнаруживается. Это подтверждается тем, что при нормальном давлении питания частота свистка и интенсивность излучения не нарушаются при разных положениях предмета в резонаторе: если в резонаторе сделать лопасть и менять ее положение относительно оси (рис. 187, д), то частота остается постоянной. При высоких давлениях интенсивность излучения зависит от положения лопасти.

Большое количество экспериментов, проведенных со свист­ ками, имеющими резонаторы различной формы (прямоуголь­ ные, сферические, эллиптические и т. д.), выявили преимущество свистков с цилиндрической формой резонаторов с круглым основанием.

Частота звука (круговая), излучаемого свистком, может быть рассчитана по формуле

где коэффициент К незначительно зависит от длины прорези свистка (для свистка, показанного на рис. 187,г, величина К равняется 0,713); V — объем камеры свистка.

Как следует из последнего выражения, частота для полицей­ ского свистка не зависит от ширины b (при одновременном из­ менении резонатора и прямоугольного сопла).

Как показали проведенные опыты, частота излучаемого звукового сигнала при докритическом истечении сильно зависит от питающего давления (рис. 188, а).

Для получения более стабильной частоты следует работать при больших питающих давлениях и сверхзвуковом истечении воздуха из сопла (рис. 188,6). Эскизы свистков в обоих случаях приведены на рисунке.

331

Работа свистка при нормальном давлении подобна работеочень короткой органной трубы, у которой давление в резонато­ ре в каждый данный момент времени одинаково. При этом выходящая из отверстия воздушная струя колеблется под влиянием звуковых волн, возникающих в резонаторе. К продоль­ ной скорости струи, вдоль линии AB, добавляется поперечная скорость. При этом давление в резонаторе в каждый момент во' всех точках одинаково.

Рис. 188. Зависимость частоты свистков f от давления питания р0:

а— звуковое истечение; б — сверхзвуковое истечение

Втечение первого полуперпода работы свистка воздух наполняет резонатор, а в следующий полуперпод поступивший воздух выбрасывается наружу. Поэтому для получения коле­

баний струю часто несколько направляют ко внутренней части резонатора. Все это подтверждает теорию Гельмгольца и Релея о поддержании колебаний с помощью струп, периодически отклоняющейся у «ножа».

Мощность излучения свистка выражается как произведение площади отверстия сопла 5 = ЬЬ на интенсивность звука / = р2 /ра\

Wa= ^ ,

где р — эффективное значение акустического давления на вы­ ходе из свистка; р — плотность воздуха; а — скорость звука.

Затраченная мощность — это мощность воздушной струп на выходе из сопла:

воздуха из сопла.

Тогда коэффициент полезного действия свистка л _. W'a __ 2 Ь6 У-

P2aS^ '

332

Можно также вычислить общий к. п. д. свистка, выражаю­ щий отношение излучаемой звуковой мощности к полной затраченной, вычисляемой как произведение объемного расхода через сопло свистка на избыточное давление р0:

paSv0po

Акустические приемники звуковых колебаний. Преобразова-

необходимо иметь надежный п малогабаритный приемник звуковых колебаний. Важно, чтобы этот приемник реагировал

мембраны в колебания электрического тока. В настоящее времяизвестны акустико-пневматические приемники Аугера (рис. 189), в которых преобразование звукового сигнала в изменение дав­ ления сжатого воздуха осуществляется при непосредственном воздействии звукового давления на струю [53]. Питающая капил­ лярная труба 1 формирует ламинарную цилиндрической формы струю, которая попадает в приемную трубку 2 и создает в ней

давление (рис. 189, а). При подаче звукового сигнала струя турбулизируется, принимает коническую форму (рис. 189, б) и дав­ ление в приемной трубке 2 падает. В отличие от электрического микрофона здесь имеет место лишь однократное преобразование сигнала. Элемент имеет свойство детектировать и в нем отсутст­ вуют подвижные детали.

Для выявления основных особенностей приемного элемента такого типа была проведена серия экспериментов на установке, которая позволяла изменять и измерять с достаточной точно­ стью расстояние между трубками и устанавливать трубки друг против друга. Исследования проводились в звукомерной камере с применением электронной аппаратуры.

333

В результате исследовании было установлено, что приемный элемент Аугера, реагирующий па весьма широкий спектр частот, для избирательного приема акустических сигналов неприемлем. При экспериментальных исследованиях звуковое давление в непосредственной близости от струн выдерживалось постоян­ ным и равным 3 Па, а частота электрических колебаний, пода­ ваемых на динамик, изменялась с помощью звукового генерато-

Рис. 190. Характеристики изменения давления на выходе акустико­ пневматического приемника Аугера в зависимости от частоты звуко­ вого сигнала при рз = 3 Па:

ра в широком диапазоне. Звуковое давление измеряли акусти­ ческими зондами, включенными на вход электронных усилите­ лей, к выходу которых были присоединены катодные вольтмет­ ры. Частоту, задаваемую звуковым генератором, контролирова­ ли электронным частотомером, к входу которого был подклю­ чен акустический зонд.

На рис. 190 показаны графики, построенные по эксперимен­ тальным данным. По оси ординат отложено падение давления р на выходе, а по оси абсцисс — частота звукового сигнала /. Параметром является расстояние Іг между трубками. Кривые получены для разных давлений питания р0 и при различных геометрических параметра — длинах питающих капилляров I, диаметрах питающих капилляров и приемных трубок d. Экспе­ рименты проводились с элементами, у которых диаметр питаю­ щего капилляра был равен диаметру приемной трубки. Шкала частот на графиках логарифмическая. Согласно полученным

334

данным, диапазон частот, на которые реагирует приемник, например, при h = 10 мм, лежит в пределах от 4 до 15 кГц (рис. 190, а). Из приведенных экспериментальных графиков сле­ дует, что при увеличении давления питания ро значения частот, при которых происходит падение давления на выходе, увеличи­ вается. Уменьшение расстояния h между трубками в элементах типа трубка— трубка с ламинарным питающим капилляром приводит к сужению рабочего диапазона частот. Уменьшается при уменьшении расстояния между трубками также и величина падения давления на выходе элемента.

Наибольшее падение давления (рис. 190, а) происходит при несколько меньшем расстоянии. Полученное явление объясняется

лением.

Коэффициент усиления k турбулентного усилителя в рас­ сматриваемом режиме представляет собой отношение изменения давления на выходе к звуковому давлению на входе, т. е. k = рІр3.

Коэффициент усиления k зависит не только от параметров турбулентного усилителя и величины входного сигнала, но и от частоты входного звукового сигнала. При частотах звукового сигнала, выходящих за определенные пределы, и некотором постоянном звуковом давлении элемент не реагирует на звук. Максимальное значение коэффициента усиления составляет величину порядка 500—550.

Коэффициент усиления растет с увеличением давления р0 и расстояния между трубками /г. Однако р0 и Іг не должны превы­

шать граничных значений, о которых было сказано выше.

На рис. 191’ в качестве примера приведена зависимость

335

Рис. 192. Акустико-пневматические приемники звуко­ вых колебании, настраиваемые па заданную частоту

вытекающая из питающего капилляра под давлением р0, будет турбулизоваться только при фиксированной частоте звукового входного сигнала, равной собственной частоте резонатора

помощью поршня (рис. 192, е).

Собственная частота колебаний для резонатора Гельмгольца

пригодна для резонаторов, имеющих значительное отношение lldr. Однако существуют другие формулы, дающие более точные результаты. Одна из таких формул [40] пригодна для расчета собственной частоты акустико-пневматического элемента с ци­ линдрическим резонатором (рис. 192, в):

n V k R T

2

-■ 336

Рис. 193. Частотные характеристики акустико-пневматического приемного элемента, настроенного на заданную частоту срабаты­ вания

22 Заказ 993

где /р — длина цилиндра резонатора; dr — диаметр горла; I— длина горла; clv — диаметр цилиндрического резонатора.

Как следует из приведенных формул, собственная частота зависит от температуры.

При экспериментальных исследованиях элементов, предна­ значенных для избирательного приема звуковых колебаний, акустическим зондом измеряли входное звуковое давление, падение давления на выходе и вели наблюдения за характером изменения давления внутри камеры резонатора. Для получения

следования одного такого элемента. Размеры элемента указаны там же. Изменялось только расположение элемента трубка — трубка и расстояние метду трубками. Как следует из приведен­ ных графиков, срабатывание элемента (падение давления па выходе р) происходит только при определенной частоте звуково­ го сигнала. В данном случае при частоте / = 230 Гц. Там же па графиках (штриховая линия) указано изменение условного зву­ кового давления рѵ внутри объема резонатора, замеренного че­ рез мембрану. Пикам падения давления на выходе элемента соответствуют пики возрастания звукового давления рр внутри резонатора. При увеличении расстояния между трубками и пе­ ремещения трубок вовнутрь объема резонатора величина дав­ ления срабатывания возрастает, что следует из сравнения гра­ фиков рис. 193, а и б. Однако это может привести и к появлению срабатываний при других частотах, отличных от основной (рис. 193, в), так называемых ложных срабатываний. Добротность

(рис. 194), а затем при звуковом давлении около 3 Па наступает

338

в камере резонатора, которое определяли по колеоаииям мем­ браны, встроенной в стенку камеры.

Опыты показали, что во всех случаях, когда резонатор элемента по своей конфигурации приближается к трубе, заглу­ шенной с одного конца (диаметр горла резонато­ ра близок к диаметру ем­ кости), наблюдается боль­ шое число ложных сра­ батываний. Этим ослож­ няется создание высоко­ частотных акустико-пнев­ матических приемных элементов, так как у та­ ких элементов горло име­ ет диаметр, близкий к диаметру камеры резона­ тора, и малую длину.

Как указывалось вы­ ше, настроить элемент на определенную частоту срабатывания можно пу­ тем изменения объема ре­ зонатора, например, с по­

мощью поршня. Зависимость частоты от объема или от положе­ ния поршня (расстояние /р, см. рис. 192, в) имеет гиперболиче­ ский характер. Поэтому регулировать частоту можно лишь в не­

резонансной частоты для резонатора Гельмгольца от расстояния Ір показана на рис. 195.

Установлено, что при увеличении объема (расстояния /„) и уменьшении резонансной частоты падение давления иа выходе