Изобретение относится к технической акустике и может быть использовано в качестве источника мощных и сверхмощных звуковых сигналов низких частот, в частности в качестве источника звуковых сигналов в судовождении.
Известны акустические генераторы, используемые в качестве источника мощных звуковых сигналов низких частот.
Излучатель акустического сигнала по авт. св. № 720486 выполнен в виде цилиндрической резонансной камеры со щелевым соплом, расположенным против клиновидного выреза в боковой поверхности камеры, и снабжен цилиндрическим патрубком и поршнем, смонтированным с возможностью перемещения в патрубке соосно резонансной камере, причем соотношение диаметра патрубка и резонансной камеры 1/4-1/5.
Он требует наличия сжатого воздуха что не всегда возможно, а кроме того.имеет существенно меньший КПД, чем протс in и предлагаемый генератор.
Сирены содержат источник газовой (воздушной) струи и прерыватель потока Сирены, в частности сирена фон Герке, конструктивно выполнены похожим на предлагаемый генератор, но по картине образования акустических колебаний ничего общего с ним не имеют. Кроме то/о, сирены имеют существенный недостаток по
О
ся
00
сравнению с предлагаемым акустическим генератором. В связи с тем, что принцип действия сирен основан на модуляции газового потока, не менее половины мощности в них затрачивается на постоянную состав- ляющую, что снижает КПД.
Из известных акустических генераторов наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является электротифон по авт. св. № 357587.
Он содержит рупор, закрепленный на цилиндре с поршнем, сопряженным с кулачковым валом, кинематически связанным с электродвигателем, при этом s поршне заполнено окно с размещенными внутри него телами вращения, сопряженными с кулачковым валом.
Вал двигателя данного элгктротифонз соединен с редуктором, с помощью которого скорость вращения доводиться до необ- ходимой, с помощью кулачкового вала вращательное движение преобразуется в возвратно-поступательное и передается поршню, совершающему это движение в цилиндре. Один выход цилиндра соединен с выходом рупора, а противофазная генерация обратной стороны поршня как правило не используется (заглушается или соединяется с атмосферой) либо в отдельных схемах используется с применением специальных средств фазоинверсии.
Наличие редуктора и кулачкового механизма усложняет и удорожает устройство, Кроме того, они снижают срок службы устройства, требуют регулярного технического обслуживания (смазки). Еще один принципиальный недостаток поршневого излучателя вытекает из того, что рабочий орган в нем совершает возвратно-поступательное движение. При увеличении мощности излучате- ля наступает момент, когда никакие известные конструкционные материалы, используемые при изготовлении поршня, не выдерживают нагрузки, т.е. мощность такого излучателя ограничена.
Целью изобретения является повышение излучаемой мощности и упрощение конструкции.
Поставленная цель достигается тем, что в акустическом генераторе, содержащем корпус в виде трубы, один из торцов которой соединен с согласующим рупором, и установленный внутри трубы на ее оси рабочий орган с приводом, рабочий орган выполнен в виде рабочего колеса вентилятора с четным числом лопастей, которые через одну имеют противоположные углы атаки, при этом второй торец трубы снабжен днищем, внутри трубы между днищем и рабочим колесом вентилятора равномерно
установлены радиальные перегородки, количество которых равно количеству лопастей колеса, между рабочим колесом и входом рупора установлены такие же радиальные перегородки, полости между которыми через одну снабжены поперечными перегородками со стороны рупора, а полости между поперечными перегородками и входом рупора пневматически соединены с полостями между рабочим колесом и днищем, сдвинутыми по отношению к полостям, открытым на вход рупора, на угол, соответствующий угловому размеру одной полости.
Отличительные признаки предлагаемо- ю акустического генератора, обеспечивающие повышение излучаемой мощности и упрощение конструкции, в других объектах техники отсутствуют, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критериям изобретения новизна и существенные отличия.
На фиг.1 схематично представлено предлагаемое устройство в двух проекциях в разрезе (без разреза рабочего колеса и электродвигателя); на фиг,2 - устройство в изометрической проекции,
Акустический генератор содержит корпус о виде трубы, состоящей из отрезков 1 и 2; фланец 3, соединяющий отрезки трубы; согласующий рупор 4; фланец 5, соединяющий один из торцов трубы с согласующим рупором; рабочий орган в виде рабочего колеса 6 вентилятора с четным числом лопастей, которые через одну имеют противоположные углы атаки (на фиг.1 и 2 приведено четырехлопзстное колесо без скрутки лопастей); привод в виде электродвигателя 7, расположенный в неработающей центральной части отрезка 2 трубы; лопасти 8 с положительным углом атаки; лопасти 9 с отрицательным углом атаки; днище на втором торце трубы 10; равномерно установленные радиальные перегородки
11между днищем и рабочим колесом, количество которых равно количеству лопастей колеса; такие же радиальные перегородки
12между рабочим колесом и входом рупора; поперечные перегородки через одну на полостях со стороны рупора 13;трубы 14 пневматического соединения полостей между днищем и рабочим колесом с входом рупора; окна 15 на корпусе; рабочие полости 16 отрезка 1 трубы; изолированные от входа рупора полости 17 отрезка 1 трубы; рабочие полости 18 отрезка 2 трубы; не соединенные с входом рупора полости 19 отрезка 2 трубы; рабочие полости 20 на выходе труб 14,
Устройство работает следующим образом.
При запуске электродвигателя 7 начинает вращаться рабочее колесо 6, Лопасти 8 рабочего колеса при этом начинают работать как нагнетающие в отрезок 1 трубы, и как всасывающие из отрезка 2 трубы, а лопасти 9 рабочего колеса наоборот как вса- сывающие из отрезка 1 трубы и как нагнетающие в отрезок 1 трубы.
Если бы не было радиальных перегородок 11 и 12, ни всасывания, ни нагнетания в отрезки 1 м 2 трубы не было бы. Поскольку перед рабочим колесом 6 с обеих сторон установлены радиальные перегородки 11 и 12, образующие полости 16-19, картина меняется принципиально. Перегородки в отрезке 2 трубы при этом до оси трубы не доходят и заканчиваются на нерабочей полости, в которой установлен электродвигатель 7. Расстояния между рабочим колесом и перегородками выбраны минимальными.
Образовавшиеся полости 16-19 начинают работать как самостоятельные трубы. Перегородки препятствуют перемешиванию положительных и отрицательных потоков от лопастей (кроме тсго, как в обычном осевом вентиляторе, они работают как спрямляющий аппарат, т.е. уменьшают закручивание потоков). Каждая лопасть, работая на полость, работает как бы на свою трубу вне зависимости от работы других лопастей на другие полости. Объем полости (т.е. ее высота при заданном диаметре трубы) выбирается из соображений допустимых флюктуации давления при прохождении перед ней лопастей разного знака. Практически высота полостей равна, примерно,радиусу трубы.
При прохождении перед полостью положительной лопасти происходит нагнетание в данную полость, в следующей фазе при прохождении перед этой же полостью отрицательной лопасти происходит всасывание, т.е. в результате создается знакопеременное давление на выходе каждой полости. В соседних полостях процессы поменялись в этот момент на обратные.
Таким образом каждая полость осуществляет на своем выходе генерацию акустического сигнала, сигналы, генерируемые соседними полостями, находятся в противо- фазе.
При этом в отрезке 2 трубы, расположенном на противоположной стороне рабочего колеса б, процессы полностью аналогичны тем, которые происходят в отрезке 1 трубы, с той лишь разницей, что полости отрезков, на которые в данный момент работает одна и та же лопасть, т.е. расположенные на одной прямой, осуществляют противофазную генерацию друг относительно друга, также как соседние полости в одном отрезке трубы.
Таким образом с одной стороны рабоче- го колеса синфазная генерация осуществляется полостями 16, противофазная - полостями 17, с другой стороны рабочего колеса синфазная генерация осуществляется сдвинутыми на одну по отношению к первым полостям 18, противофазная - полостями 19.
Генератор (фиг.1 м 2) имеет две положительные рабочие лопасти, две отрицательные. В каждом участке трубы при этом
имеется по четыре полости. Две из них являются синфазными, две противофазными. В первом и втором отрезках трубы синфазные и противофазные полости смещены на одну друг относительно друга.
Картина образования синфазных и противофазных излучений напоминает картину излучения поршневого генератора, хотя внешне эти конструкции ничего общего между собой казалось бы не имеют. Поэтому
использование акустических колебаний с выхода полостей может быть аналогичным тому, как это делается в поршневых генераторах, Можно противофазные колебания заглушить (заварить выходы противофазных
полостей), можно соединить с атмосферой, минуя рупор, можно применить специальные схемы (фазоивертирующие или суммирующие колебания в каких-то направлениях), позволяющие использовать
выходы всех полостей. При работе, предлагаемого генератора на один рупор все выходы полостей 18 и 19 отрезка 2 трубы завариваются снизу (ставится днище 10) и его синфазные полости 18 подводящими
трубами. 14 соединяются пневматически с рабочими полостями 20, расположенными перед заглушенными полостями 17 участка 1 трубы вне их габаритов. Торец отрезка 1 трубы соединяется с входом рупора 4 с помощью фланца 5. Таким образом на вход рупора работают синфазные полости 16 отрезка 1 трубы и 18 отрезка 2 трубы, Полости 17 и 19 отрезков труб, являющиеся противофазными, от входа рупора изолированы.
Лучший результат получается при соединении их с атмосферой с помощью оке 15, прорезанных в корпусе.
Ожидалось, что результат будет лучше при закрытых окнах 15, т.к. в этом случае полости 17 и 19 начинают работать как пневматические пружины. Собственно говоря и высота полостей выбрана оптимальной для этих пружин. Практически же при открытых окнах результат получается на лучше, чем при закрытых. Высота полостей, т.е.
длина всего генератора, может быть в таком случае несколько уменьшена.
Кроме четырехлопостного рабочего колеса вентилятора может использоваться рабочее колесо с любым четным количеством лопастей до разумных пределов - 2,4,6,8,10,12,14,16. Количество полостей в трубах при этом должно быть равно количеству лопастей рабочего колеей.
Из теории осевых аентиляторов извест- . но, что увеличение количества лопастей может повести к снижению КПД за счет увеличения закручивания потока, однако в данном случае этого о.ядать не приходится, т.к. перегородки препятствуют закручиванию. 8 связи с широким изменением пределов использования количества лопастей отпадает надобность а редукторе. Генератор с количеством лопастей 2 излучает на частоте, равной скорости вращения двигателя (50Гц при 3000 об/мин), с количеством лопастей 16 - на частоте, в 8 раз превышающей скорость вращения двигателя. Редукция как бы переместилась из механического редуктора в воздушный.
Особо следует оговорить вопрос выбора величины расстояний между рабочим колесом и перегородками, который имеет важ ное значение. Известно, что в сиренах, также имеющих ротор и статор (аналоги рабочего колеса и перегородок), расстояние между ними составляет десятые доли мм. Ротор имеет так называемую скользящую посадку внутри или по отношению к статору. При увеличении мощности и. следовательно, диаметра сирены выполнить такую посадку становится крайне сложно. При увеличении же зазора резко начинает падать КПД сирены, т.к. возрастает постоянная составляющая потока за счет прорыва воздуха при перекрытии отверстий ротора и статора.
Именно возможность до максимальной степени перекрытия отверстий в сиренах дает возможность доводить переменную составляющую потока в лучшем случае до 50%.
В предлагаемом генераторе величина зазора играет совершенно иную роль. Переменная составляющая уже на выходе ротора (рабочего колеса) имеет 100%, т.к. на вход полостей 16-19 работают попере чен- но положительные 8 и отрицательные 9 лопасти. Минимальным зазор выбирается в том смысле, что не должно быть перетекания положительных м отрицательных потоков а ненужных направлениях.
Испытания изготовленного акустического генератора производились при зазоре 15 мм. Ни о какой скользящей посадке здесь
речь не идет, при изготовлении генератора не использовались металлорежущие станки, использовался только сварочный аппарат, что существенно удешевляет
устройство.
Предлагаемый акустический генератор по сравнению с прототипом имеет ряд преимуществ. Мощность акустического генератора может быть существенно увеличена
0 из-за отсутствия сложного возвратно-поступательного движения рабочего органа.-Она может в принципе быть доведена до мощности осевых вентиляторов, т.е. 1000 Квт и больше. Прототип на акустическую мощ5 ность больше 1,5-2 Квт практически уже не работоспособен.
В предлагаемом генераторе упрощается конструкция и повышается надежность за счет отсутствия механического редуктора
0 и кулачкового или кулисно-шатунного механизма.
Были проведены эксперименты, подтверждающие работоспособность предлагаемого акустического генератора.
5 Испытывался акустический генератор диаметром 600 мм и скоростью вращения рабочего колеса около 1500. об/мин, т.е. обеспечивающий окружную скорость концов лопастей около 50 м/с. Были получены
0 125 на выходе рупора.
При увеличении окружной скорости концов лопастей генератора до 100-150 м/с и подборе оптимальных параметров конструкции генератора мощность его сущест5 венно возрастает и КПД может составить 70% (у прототипа 40%).
Экономический эффект от использования изобретения применительно к единице продукции может составить около 3500 руб.
0 Формула изобретения
1. Акустический генератор, содержащий корпус в виде трубы, один конец из торцов которой соединен с согласующим рупором, и установленный внутри трубы на ее оси
5 рабочий орган с приводом, отличающийся тем, что, с целью повышения излучаемой мощное™ и упрощения конструкции, рабочий орган выполнен в виде рабочего колеса вентилятора с четным числом лопз0 стей, которые через одну имеют противоположные углы атаки, при этом второй торец трубы снабжен днищем, внутри трубы между днищем и рабочим колесом вентилятора равномерно радиальные перегородки, кояи5 чество которых равно количеству лопастей колеса, между рабочим колесом и входом рупора установлены такие же радиальные перегородки, полости между которыми через г.,ану снабжены поперечными перего- оодками со стороны рупора, а полости
между поперечными перегородками и входом рупора пневматически соединены с полостями между рабочим колесом и днищем, сдвинутыми по отношению к полостям, открытым на вход рупора, на угол, соответствующий угловому размеру одной полости.
2. Генератор по п. 1.отличающийся тем, что в стенках корпуса всех полостей между радиальными перегородками, которые не соединены с входом согласующего рупора, выполнены сквозные окна
Использование в области технической акустики и а качестве источника мощных и сверхмощных звуковых сигналов в судостроении. Сущность изобретения - содержит корпус в виде трубы, один из торцов которой соединен с согласующим рупором и установлен внутри трубы на ее оси рабочий орган с приводом, рабочий орган выполнен в виде рабочего колеса вентилятора с четным числом лопастей, которые через одну имеют противоположные углы атаки, при этом второй торец трубки снабжен днищем, внутри трубы между днищем и рабочим колесом вентилятора равномерно установлены радиальные перегородки, полости между которыми через одну снабжены поперечными перегородками со стороны рупора, а полости между поперечными перегородками и входом рупора пневматически соединены с полостями между рабочим колесом и днищем, сдвинутыми по отношению к полостям, открытым на вход рупора, на угол, соответствующий угловому размеру одной полости. В стенках корпуса всех полостей между радиальными перегородками, которые не соединены с входом согласующего рупора, выполнены сквозные окна. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.
ff
fS- C---H
}/
7
6
| ЭЛЕКТРОТИФОН | 0 |
|
SU357587A1 |
