НИЗКОЧАСТОТНЫЙ ПОРШНЕВОЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ Российский патент 1998 года по МПК B06B1/10 B06B1/20 G10K5/00 G10K11/00 

Изобретение относится к акустическим излучателям, предназначенным для работы в газовых средах, например при подаче звуковых сигналов, а также для интенсификации тепломассообменных процессов, протекающих в газах или на границе газ - жидкость и газ - твердое тело, и может быть использовано в электротифонах, в пищевой промышленности и фармацевтике для интенсификации процессов сушки, в химической и металлургической промышленности для очистки выбросов запыленных газов и т.д.

Известны излучатели, в которых акустические колебания создаются при возвратно-поступательном перемещении поршня, приводимого в движение приводом, например кривошипно-шатунным механизмом: электротифон, по авт.св. 357587, кл. G 10 K, 7/04, инфразвуковой генератор по авт.св. 1703099, кл. B 06 B, 1/10, низкочастотный акустический генератор с системой обратной связи по международной заявке 88/07894, кл. B 06 B, 1/20.

Известны также широко используемые на судах электротифоны, как отечественные ТЭ-1 и ТЭ-2, так и зарубежные: шведские МА 18/130, МА 18/90, МА 18/75 (Каталог фирмы Kockums, 1985) и японские МН 700, МН 550 (Судостроение за рубежом 1985, N 5 /221/, с. 107-111).

Наиболее близким техническим решением к заявленному является генератор звука низкой частоты по патенту США 5109948, кл. G 10 K, 5/00, UScl.181-142. Он же заявлен в качестве международной заявки WO 090/00095, кл. B 06 B, 1/20. Этот генератор содержит привод в виде электромотора и шток с поршнем, перемещающимся в трубе.

Все технические решения имеют общий недостаток - очень низкую эффективность, так как большая часть энергии привода при перемещении поршня тратится на преодоление сил трения, возникающих при движении уплотнительных колец на поршне по стенкам трубы в одних подобных конструкциях (судовые тифоны) или подобных же сил в отсутствии уплотнительных колец, но при выполнении поршня плотно прилегающим своей образующей к стенкам трубы - в других технических решениях.

Задачей изобретения является увеличение КПД излучателя.

Поставленная задача достигается тем, что в низкочастотном поршневом излучателе, содержащем привод, а также поршень, расположенный в трубе, последний установлен с зазором h величиной
h ≤ δ = (ν/π•f)^0,5
где
δ - длина вязкой волны на частоте излучения;
f - частота излучения, равная частоте колебаний поршня;
ν - коэффициент кинематической вязкости газа (воздуха), находящегося в зазоре между поршнем и трубой.

При этом направлении движения поршня в трубе обеспечивается подшипниками качения, располагаемыми либо в теле поршня, либо в стенках трубы.

Следует отметить, что т.к. для выбранной газовой среды ν является величиной постоянной, а f равна заданной частоте колебаний, то и длина вязкой волны тоже величина постоянная. На низких звуковых частотах она составляет доли мм.

В изобретении в качестве подшипников качения могут быть применены подшипники цилиндрического типа, при этом оси цилиндрических подшипников располагаются в плоскости, перпендикулярной оси симметрии трубы.

На чертеже 1 изображена конструкция изобретения, где 1 - поршень; 2 - труба; 3 - зазор между поршнем и трубой; 4 - подшипники качения; 5 - шатунно-кривошипный механизм привода; 6 - электродвигатель привода.

Поршень 1 расположен в трубе 2 с зазором 3 на подшипниках качения 4, поршень связан с помощью шатунно-кривошипного механизма 5 с электродвигателем 6. При этом на фиг. 1 приведен пример реализации привода в виде электродвигателя и шатунно-кривошипного механизма.

Устройство работает следующим образом. Электродвигатель 6 с помощью шатунно-кривошипного механизма 5 обеспечивает возвратно-поступательное движение поршня 1 с заданной амплитудой и частотой. Направление движения поршня 1 в трубе 2 и поддержание постоянным зазора 3 обеспечивается подшипниками качения 4, расположенными либо на внутренней поверхности трубы 2, либо на внешней поверхности поршня 1. Движение поршня 1 создает в трубе 2 акустические колебания заданной частоты, излучаемые в пространство.

В результате использования в излучателе зазора 3, не превышающего длину вязкой волны на частоте излучения инерции газа, находящегося в зазоре 3, и его вязкость и инерция оказываются достаточными, чтобы обеспечить требуемую герметизацию зазора при движении поршня 1 и устранить перетекание газа через зазор 3, а следовательно, и возможность возникновения акустического короткого замыкания, сводящегося к выравниванию давлений по обе стороны торцев поршня 1.

Применение в предлагаемой конструкции подшипников качения способствует резкому снижению потребляемой мощности, и хотя трение и здесь имеет место, но оно существенно снижено, т.к. коэффициенты кинематической вязкости газов, определяющих силы трения в пристенном слое, и смазочных масел, используемых в излучателях с уплотнительными кольцами, отличаются на два порядка.

Проверка работы предлагаемого излучателя проведена с использованием цилиндрического поршня диаметром 95 мм, колеблющегося с частотой 25 Гц. Измерения звукового давления проводились в камере малого объема. При работе поршня с уплотнительными кольцами для работы излучателя применялся электродвигатель мощностью 1100 Вт (расчетная потребляемая мощность 1 кВт). Полученное в камере давление равнялось 120 дБ. Тот же излучатель с поршнем без колец и с линейными подшипниками качения при зазоре h = 0,3 мм развивал звуковое давление 119 дБ, но работал он с двигателем 120 Вт (расчетное значение потребляемой мощности в этом случае 50 Вт). Таким образом, при практически неизменном уровне звукового давления (разница 1 дБ) затраты электроэнергии могут быть снижены на порядок.

Низкочастотный поршневой излучатель предназначен для работы в газовых средах и может быть использован как для сигнализации, так и для акустической интенсификации тепломассообменных процессов, протекающих в газовой среде или на границе с жидкостью и твердым телом, например при сушке или для коагуляции аэрозолей. Сущность изобретения заключается в том, что поршень не касается стенок трубы и направляется в ней с помощью подшипников качения, так что трение скольжения заменено на трение качения. А для того чтобы через зазор между стенками трубы и поршнем не происходило перетекание газа, выравнивающее давление по обе стороны поршня, и не происходило акустическое короткое замыкание, препятствующее излучению, величина зазора не должна превышать длину вязкой волны на частоте колебаний поршня. В этом случае вязкость газа в зазоре и его инерция обеспечивают необходимую герметизацию зазора. 3 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. Низкочастотный поршневой излучатель, содержащий привод и поршень, расположенный в трубе, отличающийся тем, что поршень установлен в трубе с зазором, причем величина зазора h выбирается из соотношения

где δ - длина вязкой волны на частоте излучения;
f - частота излучения, равная частоте колебаний поршня;
ν - коэффициент кинематической вязкости газа, находящегося в зазоре между трубой и поршнем,
при этом направление движения поршня в трубе обеспечивается подшипниками качения. 2. Излучатель по п. 1, отличающийся тем, что подшипники качения установлены на внутренней поверхности трубы. 3. Излучатель по п. 1, отличающийся тем, что подшипники качения установлены на внешней поверхности поршня. 4. Излучатель по п.1, отличающийся тем, что подшипники качения выполнены цилиндрическими, а их оси расположены в плоскости, перпендикулярной оси симметрии трубы.