Способ возбуждения колебаний гидравлическим излучателем и гидравлический излучатель Галанова Советский патент 1992 года по МПК F15B21/12 

Изобретение относится к технической акустике и может быть использовано в качестве возбудителя колебаний для жидких сред.

Известен способ возбуждения низковольтных колебаний гидравлическим излучателем, заключающийся в создании акустических колебаний колебаниями излучающего поршня, жестко связанного с рабочим поршнем, приводимым в движение колебаниями протекающей через рабочую камеру под высоким давлением жидкости.

Известен гидравлический возбудитель колебаний, содержащий корпус с отводящим и подводящим трубопроводами и рабочей камерой, модулятор, рабочий поршень, жестко связанный с ним поршень, подпружиненный относительно корпуса, регулятор сопротивления, установленный в дополнительном трубопроводе, соединяющем полость между рабочим и подпружиненным поршнями.

Недостатками известного способа и устройства является низкий КПД, ограниченный диапазон частот и необходимость постоянной компенсации гидростатического давления. Это объясняется тем, что при колебаниях рабочего и излучающего поршней значительная часть энергии расходуется на преодоление сил инерции, сухого и вязкого трения, а возбуждение колебаний среды достигается изменением объема.

Цель изобретения - повышение КПД и расширение рабочего диапазона частот при возбуждении акустических колебаний путем изменения давления среды.

Поставленная цель достигается тем, что в способе возбуждения колебаний, заклюVI

СО

ел о

ГО

чающемся в создании акустических колебаний изменением давления среды, в зоне, нормальной к оси потока жидкости, изменение давления среды производят при постоянстве объема излучателя путем изменения скорости потока, а также тем, что в гидравлическом излучателе, содержащем источник гидравлического питания, рабочую камеру с подводящим и отводящим трубопроводами и модуляторы, модуляторы установлены по мостовой схеме, к одной паре противоположных узлов которой подключен источник гидравлического питания, к другой - подводящий и отводящий трубопроводы, а рабочая камера выполнена в виде открытого трубопровода.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства для осуществления способа; на фиг. 2 - зависимость звукового давления Р3в. от скорости потока жидкости V.

Предлагаемый способ возбуждения колебаний гидравлическим излучателем реализован следующим образом,

Рассмотрим полностью заполненную жидкостью и погруженную на некоторую глубину h рабочую камеру 2 с рабочей зоной 1, расположенной нормально оси потока, Из закона Бернулли известно, что полное давление жидкости в стационарном потоке постоянно и равно сумме статического давления, определяемого весом столба жидкости РГСТ. /ogh, и динамического давления, определяемого скоростью движения поV2тока Рд р-п- , т.е. Рп РГСТ + Рд const,

Несмотря на различную природу возникновения РГСТ и Рд величины одного порядка. В части постоянства полного давления потока Рп закон Бернулли справедлив только при условии возможности из- менения высоты столба жидкости. Учитывая, что вес столба жидкости неизменен, закон Бернулли принимает следующее объяснение.

Давление жидкости в стационарном потоке определяется суммой статического и динамического давлений. В стационарном, безграничном поле среды, в общем случае для неизолированного потока полное давление потока возрастает с ростом динамического и всегда превышает статическое давление поля на величину динамической составляющей потока, а для изолированного потока сумма статического и динамического давлений постоянна,

Утверждение не противоречит основным уравнениям гидромеханики (состояния, движения,неразрывности), так как относится к стационарному (установившемуся) процессу. Изменение скорости потока нарушает условие стационарности и, согласно формулировки Блокинцева, создаются условия для генерирования звука. Когда жидкость в рабочей камере 2 находится в потое, ее давление определяется гидростатическим давлением среды, т.е. Рп РГСТ

Если привести жидкость в движение с некоторой возрастающей скоростью V(t), то, учитывая, что высота столба жидкости h в условиях безграничности среды практически неизменна, давление потока возрастает

15

на величину Рд(г) р

-- v2(0

. Этот процесс

сопровождается локальным уменьшением давления в рабочей зоне 1 нормальной оси возбуждаемого потока на ту же величину. При стабилизации скорости потока V(t) const давление в рабочей зоне 1 уравнивается с гидростатическим давлением среды. Уменьшение скорости V(t) приводит к обратному эффекту, т.е. уменьшению

давления потока Рп и, соответственно, локальному увеличению давления в рабочей зоне 1.

Таким образом, при изменении скорости потока V(t) меняется давление в

рабочей зоне 1, что вызывает возбуждение акустических колебаний среды, причем излучаемое акустическое давление определяется соотношением Рзв АРД,

где Д Рд р

V§ -V

; Va и Vi ; V2 и Vi скорости различных состояний потока, т.е.

Рзв.макс Определяется Рд.макс.

Необходимо отметить существенную

роль соотношения скорости потока V и геометрических размеров рабочего трубопровода d, которое определяет Число Рейнольдса потока Ren. При Ren R е.кр. нарушается условие стационарности потока,

что вызывает самовозбуждение излучателя. Это явление может быть использовано для излучения сложных непериодических сигналов. При необходимости формирования монохроматического или сложного периодического сигнала характеристика потока Ren определяет собственные шумы и уровень нелинейных искажений излучателя. Из зависимости звукового давления Р3в от скорости движения потока V следует, что

уровень Рзв определяется амплитудой и не зависит от ее направления, это позволяет значительно снизить инерционные потери и предполагать возможный диапазон рабочих частот (без учета резонансов элементов конструкции) практически от долей Гц до предела звукопрозрачности среды.

При определении механического КПД следует отметить, что потери при работе в основном определяются гидродинамиче- скими потерями потока жидкости, существенно зависящими от параметра Ren, значение которого оптимизируется при проектировании. Таким образом, мощность в основном затрачивается на образование кинетической энергии потока. Учитывая, что РзвЛ Рд, очевидна исключительно высокая эффективность преобразования механической энергии в акустическую.

Акустический КПД определяется из со- отношения линейных размеров излучателя и длины излучаемой звуковой волны. Гидравлический излучатель содержит модуляторы 6-9, установленные по мостовой схеме, к одной паре противоположных уз- лов которой подключен источник гидравлического питания 5, а другой подводящий 4 и отводящий 3 трубопроводы рабочей камеры 2, выполненной в виде открытого трубопровода.

Устройство работает следующим образом.

При погружении гидравлического излучателя внутренние полости заполняются забортной жидкостью. Для полного удаления воздуха из системы возможен следующий алгоритм управления. Перекрывается любая пара противоположно установленных модуляторов, например 6 и 9, модуляторы 7 и 8 открыты. Жидкость заполняет рабочую камеру 2, подводящий трубопровод 4, модулятор 7 и источником гидравлического питания 5 через модулятор 8 и отводящий трубопровод 3 подается в рабочую камеру 2. Затем открываются модуляторы 6 и 9, закрываются модуляторы 7 и 8, жидкость из рабочей камеры 2 по отводящему трубопроводу 3, модулятору 9 через источник гидравлического питания 5 по модулятору 6 подается в подводящий трубопровод 4, ра- бочую камеру 2. Удаляемый воздух через рабочую камеру 2 выводится в среду. Необходимо обратить внимание, что не изменяя направление подачи жидкости через источник гидравлического питания 5, управлени- ем модуляторами легко достигается изменение направления потока в рабочей камере 2. После удаления воздуха излучатель готов к работе.

Для реализации способа возбуждения колебаний необходимо управление скоростью потока V в рабочей камере 2. Зависимость скорости потока V от площади камеры Зк и расхода жидкости через камеру QK оп

Vi

Q

ределяется из уравнения V -5- . Учитывая,

OK

что S постоянна, управление V осуществляют изменением QK. Достигается это следующим образом. Рассмотрим мостовую схему из модуляторов 6-9, каждый из которых содержит клапан, установленный с возможностью перекрытия трубопроводов, подводящего или отводящего, в зависимости от места установки и привод (механический, электродинамический и т.п.), осуществляющий перемещение клапана по задаваемому закону управления. В каждом модуляторе площадь проходного сечения Si управляется по закону Si(t) Smi(t) Sin Ф t т.е. имеет возможность управления как по амплитуде Smi, так и по частоте а, где i - номер модулятора. Для расширения функциональных возможностей управления могут быть введены р$ - фазовые соотношения амплитуд и р -фазовые соотношения частот модуляторов.

Обеспечение постоянства направления потока устанавливается приоритетом модуляторов. Например, постоянство направления потока, показанное на фиг. 1, достигается приоритетом модуляторов 6 и 9 над модуляторами 7 и 8, выполняющими в этом случае вспомогательные функции, Приоритет заключается в выполнении следующих условий Зб S, Se Ss, Sg S, Sg Ss. При 5бИ Sg макс, a S и Ss 0 вся производительность источника гидравлического питания 5Q направляется по модулятору 6, подводящему трубопроводу 4 в рабочую камеру 2, обеспечивая максимальный расход Окмакс Q и, следовательно, максимальную скорость потока 0 Зк

ходит короткое замыкание источника гидравлического питания 5, Q 0 и V 0.

Таким образом, управление модуляторами позволяет изменять скорость потока в рабочей камере 2 от 0 до VMSKC. Нормальная работоспособность устройства зависит от выполнения ряда условий. Очевидно, что недопустимо равенство 0, одновременно проходных сечений Vj всех модуляторов, а также 5б +Se 0-const и S + Sg 0-const. Рабочий диапазон частот гидравлического излучателя определяется частотными характеристиками модуляторов и возможностями системы управления модуляторами. Мощность, потребляемая источником гидравлического питания 5, Wr QP, где Q - производительность источника питания Q Умакс Зк, а Р Рд.

макс

При S&, Sy, SB, Sg макс происИспользование предлагаемого способа возбуждения колебаний и устройства для его реализации позволяют существенно повысить КПД, расширить рабочий диапазон частот при постоянстве объема излучателя. Следует отметить независимость работоспособности и потребляемой мощности от глубины и полную защищенность от воздействия ударных волн. При необходимости, применяя управляемое шунтирование источника гидравлического питания, возможно активное гашение пульсаций давления, создаваемых насосом.

Формула изобретения 1. Способ возбуждения колебаний гидравлическим излучателем, заключающийся в создании акустических колебаний изменением давления среды в зоне, нормальной к

0

5

оси потока жидкости, отличающь тем, что, с целью повышения КПД и ра. рения рабочего диапазона частот, изме ние давления среды производят пр, постоянстве объема излучателя путем изме нения скорости потока.

2. Гидравлический излучатель, содержащий источник гидравлического питания, рабочую камеру с отводящим и подводящим трубопроводами и модуляторами, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД и расширения рабочего диапазона частот, модуляторы установлены по мостовой схеме, к одной паре противоположных узлов которой подключен источник гидравлического питания, а к другой - отводящий и подводящий трубопроводы, а рабочая камера выполнена в виде открытого трубопровода.

Использование: возбуждение колебаний в жидких средах. Сущность изобретения: акустические колебания создают изменением давления среды в зоне, нормальной к оси потока жидкости. Изменение давления среды производят при постоянстве объема излучателя путем изменения скорости потока. Излучатель содержит источник гидравлического питания, рабочую камеру с отводящим и подводящим трубопроводами и модуляторы. Модуляторы установлены по мостовой схеме, к одной паре противоположных узлов к-рой подключен источник, к другой - трубопроводы. Камера выполнена в виде открытого трубопровода. 2 с.п. ф-лы, 2 ил. Ё

- d Ря-РгсГ Рд.

г -

Фи.г.2