книги / Основы пневмоавтоматики

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

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

свисток имеет цилиндрический резонатор, то часть струи, попа­ дая в последний, завихряется и, выходя через прорезь, отклоняет периодически основную струю. Этим объясняется большая мощность, излучаемая таким свистом при р0 =

=0,2 -г- 0,3 МПа, т. е. при сверхзвуковом истечении из сопла. При небольшом давлении питания (нормальном) явления

протекания струи по внутренней стенке резонатора (завихре­ ние струи) не обнаруживается. Это подтверждается тем, что при нормальном давлении питания частота свистка и интенсивность

положение относительно оси (рис. 187,6), 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 работе очень 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 АВ, 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 полупериода работы свистка воздух наполняет резонатор, а в следующий полупериод поступивший воздух выбрасывается наружу. Поэтому для получения коле­ баний струю часто несколько направляют ко внутренней части резонатора. Все это подтверждает теорию Гельмгольца и Релея

оподдержании колебаний с помощью струи, периодически отклоняющейся у «ножа».

Мощность излучения свистка выражается как произведение

площади отверстия сопла S = Ь6 на интенсивность звука / - р2/ра:

v т ,

ра

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

Затраченная мощность — это мощность воздушной струи на выходе из сопла;

GVi

где G — массовый расход воздуха; v0— скорость истечения

воздуха из сопла.

Тогда коэффициент полезного действия свистка

л - ^ 2Ь8р2 р*aS*l '

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 ро:

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

мембраны в колебания электрического тока. В настоящее время известны 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 исследований было установлено, что приемный элемент Аугера, реагирующий на весьма широкий спектр частот,, для избирательного приема акустических сигналов неприемлем. При экспериментальных исследованиях звуковое давление в непосредственной близости от струи выдерживалось постоян­ ным и равным 3 Па, а частота электрических колебаний, пода­ ваемых на динамик, изменялась с помощью звукового генерато-

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 h между трубками. Кривые получены для разных давлений питания ро и при различных

геометрических параметра — длинах питающих капилляров /, 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 = р!Рз.

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 h. Однако р0 и h не должны превы­

335

Рис. 192. Акустико-пневматические приемники звуко­ вых колебаний, настраиваемые на заданную частоту

вытекающая из питающего капилляра под давлением р0у будет

турбулизоваться только при фиксированной частоте звукового входного сигнала, равной собственной частоте резонатора Гельмгольца [19]. Настройку рассматриваемого элемента на определенную частоту звукового сигнала можно осущест­ влять, изменяя, например, объем резонирующей камеры с помощью поршня (рис. 192, в).

Собственная частота колебаний для резонатора Гельмгольца (в радианах в секунду) может быть рассчитана по известной формуле

l!dT. 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):

я V kRT

2

336

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

22 Заказ 993

где Zp — длина цилиндра резонатора; dT— диаметр горла; I — длина горла; dv — 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

данных об изменении давле­ ния внутр-и камеры в ее зад­ нюю стенку была вмонтиро­ вана тонкая металлическая мембрана диаметром 5 мм и толщиной 0,2 мм. Силу зву­ ка, издаваемого колеблю­ щейся мембраной, измеряли звуковым зондом. Звуковое давление на входе в эле­ мент поддерживалось рав­ ным 3 Па.

В качестве примера на рис. 193 приведены результа­ ты экспериментального ис­

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 на выходе р) происходит только при определенной частоте звуково­ го сигнала. В данном случае при частоте / = 230 Гц. Там же на графиках (штриховая линия) указано изменение условного зву­ кового давления рр внутри объема резонатора, замеренного че­ рез мембрану. Пикам падения давления на выходе элемента соответствуют пики возрастания звукового давления pv 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

характеристик различных элементов лежит в диапазоне от 10 до 50.

При увеличении входного звукового давления на выходе вначале происходит резкое увеличение падения давления (рис. 194), а затем при звуковом давлении около 3 Па наступает

338

в камере резонатора, которое определяли по колебаниям 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

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 которой рабочей зоне, так как при слишком большом /р изменение час­ тоты мало, а при малом /р — вели­ ко. Экспериментальная зависимость

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

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

пик соответствует определенному /р. При смещении пиков влево падение давления возрастает. Эти кривые построены для того элемента с настраиваемым объемом, что и кривая на рис. 195.

Изменение давления на выходе элемента зависит существен­ но от длины горла резонатора I (рис. 197). Причем при измене­

нии длины горла каждый раз с помощью поршня настраивали одну и ту же резонансную частоту f = 860 Гц и поддерживали звуковое давление р3 = 8,6 Па. Там же приведена кривая

(сплошная линия), характеризующая собой ширину резонансно­ го пика у основания при различных длинах горла резонатора. При увеличении длины горла / полное изменение давления на выходе элемента уменьшается и происходит уменьшение шири­

2. РЕАЛИЗАЦИЯ НЕКОТОРЫХ ПНЕВМОАКУСТИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ

Приборы для измерения и сигнализации. Описанный выше элемент Аугера, совмещенный с резонатором Гельмгольца (рис. 192), может быть использован для построения целого ряда пневмоакустических приборов. На рис. 198 приведена схема

7

бесконтактного уровнемера, который может быть использован в различных отраслях промышленности для измерения уровня жидкостей, в том числе взрывоопасных. Основной бак 1, пред­

назначенный для хранения жидкости, сообщается с измери­ тельной трубкой 2, в которой по закону сообщающихся сосудов жидкость устанавливается на том же уровне, что и в баке 1.

340