Способ проведения эксперимента по осуществлению и наблюдению акустических процессов в жидкой среде и устройство для его осуществления Российский патент 2017 года по МПК G09B23/14 B06B1/18 

Изобретение относится к технике эксперимента, а именно к способам проведения эксперимента с использованием процессов нелинейной акустики. Использование предлагаемого способа и устройства для его осуществления позволяет апробировать множество технологических процессов, таких, например, как очистка деталей, эмульгирование несмешивающихся жидкостей, ускорение химических реакций, и получить научные обоснования условий существования таких физических явлений, как кавитация, акустические течения, радиационное акустическое давление и других, неразрывно связанных с нелинейными акустическими процессами.

Уровень техники

Основными способами возбуждения низкочастотных колебаний жидкости, применяемыми в настоящее время, являются гидродинамический (сирены и свистки), электромагнитный и электродинамический («подводный динамик»), а также использование пьезокерамических излучателей. Однако ни один из этих способов не обладает широкополосностью в диапазоне частот от единиц герц до десятков и сотен тысяч килогерц.

Известен способ проведения эксперимента по осуществлению и наблюдению акустических процессов в проточной жидкой или газовой среде (патент RU 2149712, дата публ. 27.05.2000, МПК B06B 1/18). Способ включает в себя технологический процесс в проточной жидкой или газовой среде и формирование линейных акустических колебаний посредством устройства для излучения линейных акустических колебаний. В среде присутствуют нелинейные акустические колебания, взаимодействующие с линейными акустическими колебаниями среды. При этом линейные акустические колебания формируют истечением среды через одно отверстие прямоугольного сечения, имеющего ширину меньше высоты, с частотой, определяемой произведением числа оборотов подвижного ротора и числа импульсов в среде за один оборот ротора излучателя акустических колебаний. Частотный диапазон импульсных возбуждений среды согласуют с технологическим процессом.

Недостатками данного способа являются недостаточно широкий для проведения экспериментов частотный диапазон, ограниченный сверху частотой не выше 10 кГц, и невозможность возбуждения колебаний в стоячей жидкости, не вызывая ее движения.

Известен гидроакустический излучатель (патент RU №2131173, дата публ. 27.05.1999, МПК H04R 1/44), содержащий стержневой пьезоэлемент и армирующую стяжку, жестко соединенные с тыльной накладкой, переднюю накладку, выполненную как одно целое с гибкой пассивной вставкой, имеющей форму стакана, с дном которого соединена массивная пассивная вставка, заключенные в герметичный корпус, кроме того, массивная пассивная вставка выполнена в виде полого толстого цилиндра с жесткой перегородкой, перпендикулярной его оси, при этом внутренний диаметр цилиндра больше наружного диаметра гибкой вставки и пьезоэлемента, а перегородка одной поверхностью соединена с торцом пьезоэлемента, а другой - с наружной поверхностью дна стакана гибкой вставки, с внутренней поверхностью которого соединена армирующая стяжка.

Недостатками данного гидроакустического излучателя являются недостаточно широкий диапазон частот возбуждаемых колебаний и техническая сложность устройства.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату является цилиндрический электроакустический преобразователь (патент RU 2130238, дата публ. 10.05.1999, H04R 17, H04R 1/44), содержащий соосно расположенные цилиндрические пьезоэлементы, акустически разъединенные по торцам, совершающие радиальные колебания, и жестко связанный с ними согласующий элемент из твердого материала с круговой канавкой, расположенной на внутренней его поверхности в плоскости, лежащей между пьезоэлементами, кроме того, преобразователь снабжен излучающей цилиндрической оболочкой из акустически мягкого материала с низкой скоростью звука, внутренняя поверхность которой жестко соединена с внешней поверхностью согласующего элемента, внешний радиус излучающей цилиндрической оболочки в 2,5-3,0 раза больше внешнего радиуса цилиндрических пьезоэлементов, причем цилиндрические пьезоэлементы выполнены с попарно-встречными разрезами в продольном направлении, длина которых больше половины высоты пьезоэлемента, а высота боковой поверхности согласующего элемента, обращенной к цилиндрической оболочке, в 2,5-3,0 раза меньше высоты боковой поверхности согласующего элемента, обращенной к цилиндрическим пьезоэлементам.

Недостатками данного цилиндрического электроакустического преобразователя являются сложность его изготовления и недостаточно широкий диапазон рабочих частот.

Раскрытие изобретения

Техническим результатом предлагаемого изобретения является расширение частотного диапазона до сотен килогерц(1). и получение возможности работы в стоячей жидкости, не вызывая ее движения(2).

Указанный технический результат (1 и 2) достигается тем, что в способе проведения эксперимента по осуществлению и наблюдению акустических процессов в жидкой среде, заключающемся в формировании линейных акустических колебаний при присутствии в среде нелинейных акустических колебаний, взаимодействующих с линейными акустическими колебаниями, согласно изобретению в стоячей среде нелинейные акустические колебания получают путем создания в ней ультразвуковых колебаний интенсивностью более 1 Вт / кв. см, а линейные акустические колебания формируются путем амплитудной модуляции используемых ультразвуковых колебаний.

Технический результат (1, 2) достигается также тем, что для реализации предлагаемого способа используют электроакустический преобразователь, содержащий цилиндрический пьезоэлемент, акустически разъединенный с корпусом, согласно изобретению пьезоэлемент электрически соединен с ультразвуковым генератором, работающим на резонансной частоте пьезоэлемента, при этом пьезоэлемент совершает осевые (по толщине) колебания, причем акустический контакт с жидкостью имеет только одна сторона пьезоэлемента, а модулятор собран по схеме, позволяющей изменять амплитуду выходного напряжения ультразвукового генератора с заданной частотой и формой.

В предлагаемом изобретении выбор в пользу использования несущей частоты ультразвукового диапазона позволяет надежно возбуждать нелинейные акустические колебания, что и приводит к «детектированию» амплитудно-модулированных колебаний и формированию низкочастотной составляющей, равной частоте модуляции. При этом нижняя граница возникающих низкочастотных колебаний равна единицам герц, а верхняя - до 0,1 значения несущей частоты.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 представлена схема устройства для реализации способа проведения эксперимента по осуществлению и наблюдению акустических процессов в жидкой среде.

Осуществление изобретения

Предлагаемый способ проведения эксперимента по осуществлению и наблюдению акустических процессов в жидкой среде осуществляется следующим образом: в металлическом сосуде цилиндрической формы диаметром 28 мм и высотой 800 мм, наполненном водой, возбудили незатухающие ультразвуковые колебания частотой 1,66 МГц интенсивностью 2 Вт / кв. см. Частоту модуляции изменяли от 10 Гц до 150 кГц. На осциллографе, подключенном к гидрофону, погруженному в сосуд, наблюдали форму кривых акустического давления в сосуде. Эксперимент показал соответствие кривых модулирующему сигналу. Кроме огибающих, был зафиксирован шум, вызываемый кавитационными процессами в жидкости.

Устройство для реализации способа проведения эксперимента по осуществлению и наблюдению акустических процессов в жидкой среде (Фиг. 1) состоит из цилиндрического корпуса 1, жидкой среды 2, цилиндрического пьезоэлемента 3, гидро- и звукоизолирующей прокладки 4, генератора 5 ультразвуковой частоты, модулятора 6 и источника питания 7.

Устройство работает следующим образом.

Включают источник питания 7, генератор 5 ультразвуковой частоты самовозбуждается на резонансной частоте пьезоэлемента 3, отчего благодаря осевым колебаниям пьезоэлемента 3 в жидкой среде 2, находящейся в корпусе 1, возникают незатухающие колебания. Модулятор 6 с помощью внешних регулировок - ручных или от управляющего микроконтроллера (не показаны) осуществляет изменение амплитуды выходного напряжения генератора 5. Благодаря нелинейным акустическим процессам происходит «детектирование» ультразвуковых колебаний и в жидкой среде 2 возникают колебания, повторяющие форму напряжения модулятора 6. Гидро- и звукоизолирующая прокладка 4 служит для разделения сред и предотвращает утечку акустической энергии на корпус 1. Испытания показали, что при значении ультразвуковой частоты 1,66 МГц в жидкости можно получить акустические колебания в диапазоне от 10 Гц до 150 кГц.

По данным научно-технической и патентной литературы, авторам неизвестна заявляемая совокупность признаков, направленная на достижение поставленных задач, и эти решения не вытекают с очевидностью из известного уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии технических решений уровню изобретений.

Изобретение относится к технике эксперимента, а именно к способам проведения эксперимента с использованием процессов нелинейной акустики. Пьезоэлемент электрически соединен с ультразвуковым генератором, работающим на резонансной частоте пьезоэлемента. При этом пьезоэлемент совершает осевые по толщине колебания. Акустический контакт с жидкостью имеет только одна сторона пьезоэлемента. Модулятор собран по схеме, позволяющей изменять амплитуду выходного напряжения ультразвукового генератора с заданной частотой и формой. В стоячей среде нелинейные акустические колебания получают путем создания в ней ультразвуковых колебаний интенсивностью более 1 Вт/кв. см. Линейные акустические колебания формируют путем амплитудной модуляции используемых ультразвуковых колебаний. Техническим результатом изобретения является расширение частотного диапазона рабочих частот, обеспечение возможности работы в стоячей жидкости, не вызывая ее движения. 2 н.п.ф-лы, 1 ил.

1. Способ проведения эксперимента по осуществлению и наблюдению акустических процессов в жидкой среде, заключающийся в формировании линейных акустических колебаний при присутствии в среде нелинейных акустических колебаний, взаимодействующих с линейными акустическими колебаниями, отличающийся тем, что в стоячей среде нелинейные акустические колебания получают путем создания в ней ультразвуковых колебаний интенсивностью более 1 Вт / кв. см, а линейные акустические колебания формируются путем амплитудной модуляции используемых ультразвуковых колебаний.

2. Устройство для реализации способа по п. 1, представляющее собой электроакустический преобразователь, содержащий цилиндрический пьезоэлемент, акустически разъединенный с корпусом, отличающееся тем, что пьезоэлемент электрически соединен с ультразвуковым генератором, работающим на резонансной частоте пьезоэлемента, при этом пьезоэлемент совершает осевые по толщине колебания, причем акустический контакт с жидкостью имеет только одна сторона пьезоэлемента, а модулятор собран по схеме, позволяющей изменять амплитуду выходного напряжения ультразвукового генератора с заданной частотой и формой.