СПОСОБ ИЗЛУЧЕНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Советский патент 1996 года по МПК G10K15/02 B06B1/00 

Изобретение относится к ультразвуковой и импульсной технике и касается устройств, предназначенных для излучения в жидкостную или газовую срезу акустических волн, в частности может быть использовано для создания малогабаритных излучателей ультразвуковых волн, применяемых для локального акустического воздействия на малых расстояниях.

Целью изобретения является повышение эффективности излучения акустических волн.

На фиг. 1 иллюстрируется общая схема формирования акустической волны в ограниченном твердыми стенками канале с помощью возбуждаемых в них упругих волн деформации с вертикальной поляризацией; на фиг.2 различные формы упругих элементов и образуемых ими каналов, в которых генерируются акустические волны; на фиг.3 принципиальная схема формирования акустической волны путем возбуждения в упругих стенках канала продольно-поперечных волн упругой деформации и получения на граничных поверхностях поверхностных волн с вертикальной поляризацией, в частности рэлеевского типа; на фиг.4 - принципиальная схема формирования акустической волны с помощью возбуждаемых в упругих стенках канала изгибных (радиально-изгибных) волн деформации с вертикальной поляризацией; на фиг.5 конструкция устройства, реализующего данный способ.

Способ осуществляется следующим образом.

В твердых стенках 1, ограничивающих заключенную внутри канала 2 жидкостную или газовую среду, возбуждают упругую волну деформации с вертикальной поляризацией 3 (см. фиг.1). В результате гребни вертикально поляризованных волн упругой деформации 3 стенок 1 канала 2 частично или полностью перекрывают поперечное сечение канала 2. Уменьшение поперечного сечения канала 2 при прогибе его стенок 1 внутрь соответствует ускоренному вдвижению в канал с жесткими стенками поршня. После достижения максимальной величины деформации λ_макс ширина канала 2 начинает увеличиваться до исходной величины d_к затем до d_к+ λ_макс, что соответствует обратному ходу поршня. При этом в канале 2 генерируется волна разряжения, непосредственно следующая за предыдущей волной сжатия. Направление распространения упругой волны деформации с вертикальной поляризацией 3 в стенках 1 канала 2 соответствует направлению излучения акустической волны 4. Фронт каждого полупериода упругой бегущей волны деформации 3 образует своего рода единичный поршень (условно выделен жирными линиями 5), у которого форма поверхности, соприкасающейся с заключенной внутри канала 2 средой, определяется как формой канала 2, так и условиями возбуждения и физическими свойствами материала ограничивающих канал стенок 1. Каждый такой волновой фронт-поршень 5 движется вдоль канала 2 со скоростью распространения возбуждаемых в твердых стенках 1, ограничивающих канал 2, упругих волн с вертикальной поляризацией, а именно с их фазовой скоростью. Взаимодействие каждого отдельного волнового фронта-поршня 5, движущегося со сверхзвуковой по отношению к заключенной в канале 2 жидкостной или газовой среде скоростью, с этой средой обуславливает возникновение в ней акустической волны 6, которая излучается затем в конце канал 2 во внешнюю среду 7.

Канал 2 может быть образован самыми различными по форме и взаимному расположению упругими стенками 1 (см.фиг.2), а именно: отдельными параллельно или под углом друг к другу расположенными плоскими или криволинейными пластинами, образующими соответственно плоские или криволинейные, прямые или клинообразные, специальным образом профилированные каналы-щели 2; стенками одной круглой трубы или стенками коаксиально расположенных друг относительно друга или нескольких трубчатых элементов, в том числе профилированных (с переменным сечением канала 2), образующих соответственно круглые, кольцевые, специальным образом профилированные каналы 2, служащие для возбуждения акустических волн.

Для любой формы канала во избежание разрушения устройства ширина канала 2 должна превышать величину удвоенной максимальной амплитуды возбуждаемых в стенках 1 канала 2 вертикально поляризованных упругих волн деформации (при переменном сечении канала это относится к его минимальной ширине), т.е. 2λ_макс.≅ d_к/мин.. С другой стороны, для повышения эффективности излучения акустических волн ширина канала 2 должна быть соизмерима с указанной величиной.

В общем случае на упругих стенках 1 канала 2 могут возбуждаться самые различные типы упругих поверхностных волн деформации с вертикальной поляризацией, у которых вектор колебательного смещения частиц в волне расположен в плоскости, перпендикулярной к граничной поверхности (поверхности волнообразования). В частности такие волны в твердых упругих стенках 1 создаются путем возбуждения в их объеме продольно-поперечных (объемных) волн упругой деформации. Для этого могут быть использованы самые различные способы возбуждения и технические средства, например путем связи стенок 1 канала 2 с магнитостриктором. Возбуждение на поверхности стенок 1 канала 2 поверхностных волн так называемого рэлеевского типа 8 (см.фиг.3) может осуществляться благодаря возбуждению в достаточно толстых h/2L > 1 (где h толщина стенки, L длина возбуждаемой полуволны) упругих стенках 1 продольно-поперечных волн деформации. Возбуждение таких упругих волн осуществляется путем колебательного воздействия (на чертеже условно показано стрелками 9) со стороны торца толстостенного трубчатого элемента 1 в продольном направлении равномерно по всему поперечному сечению.

Регулярный режим существования распространяющихся в требуемом направлении бегущих поверхностных волн достигается путем согласования колебательного воздействия 9 на стенки 1 канала 2 с реактивной (включая с полезную
генерируемые акустические волны) нагрузкой, осуществляемого известными методами с помощью известных средств, например с помощью работы магнитостриктора, связываемого со вторым торцом трубчатого элемента 1.

х волн за счет сверхзвуковой скорости движения волновых фронтов-поршней 5 в совокупности с малыми потерями энергии в стенках 1 излучающего канала 2 позволяет обеспечить высокую эффективность излучения акустических волн. Выбор соответствующего режима излучения может обеспечить возможность формирования акустических ударных волн.

Создаваемые таким путем рэлеевские поверхностные волны имеют невысокую амплитуду λ_макс.. По этой причине с целью повышения амплитуды поверхностных волн 8 (см.фиг.3) и тем самым повышения эффективности излучения генерируемой в канале 2 акустической волны 6 боковые поверхности стенок трубчатого элемента 1 за исключением волнообразующей поверхности самого канала 2 заключены в жесткие стенки-экраны 10, а колебательное воздействие 9 на стенки осуществляет с частотой, обеспечивающей резонансный режим суперпозиции прямых и отраженных от стенок-экранов 10 поперечных волн упругой деформации и трансформирования результирующей от их сложения в поверхностную волну 8 с повышенной амплитудой.

Высокую эффективность излучения акустических волн (за счет увеличения λ_макс.) обеспечивает применение изгибных (радиально-изгибных) бегущих волн. На фиг.4 показана принципиальная схема формирования в канале 2 акустической волны 6 с помощью возбуждаемых в упругих стенках 1 изгибных (в случае круглого трубчатого элемента радиально-изгибных) бегущих волн деформации с вертикальной поляризацией 11. Изгибные (радиально-изгибные) бегущие волны с вертикальной поляризацией 11 в стенках 1 канала 2 возбуждают путем согласованного с реактивной нагрузкой (включая и полезную) колебательного воздействия на стенки 1 канала 2, осуществляемого одновременно в поперечном (с помощью силы амплитудой Р1) и продольном (с помощью силы амплитудой Р2) направлениях, или же путем приложения равнодействующей колебательной силы РО, направленно под соответствующим углом α к стенкам 1 канала 2.

В результате вышеуказанного колебательного воздействия на достаточно тонкие (во всяком случае по толщине меньшие, чем длина возбуждаемой в них упругой волны) упругие стенки 1 в них возбуждаются изгибные (pадиально-изгибные) бегущие волны 11, обладающие по сравнению с изгибными волнами, возбуждаемыми только за счет действия поперечных, т.е. направленных перпендикулярно к стенкам колебательных сил, большими величинами амплитуды смещений l_макс., что необходимо для увеличения эффективности излучения акустических волн.

Для достижения высокой эффективности излучения акустических волн колебательное воздействие на стенки 1 канала 2 может производиться в режиме параметрического резонанса, в частности с соотношением частот собственных колебаний стенок 1 канала 2 и возбуждающего колебательного воздействия, близким к 1/2.

Описанный способ излучения акустических волн за счет сверхзвуковой скорости движения волновых фронтов-поршней 5 в совокупности с малыми потерями энергии в стенках 1 излучающего канала 2 позволяет обеспечить высокую эффективность излучения акустических волн. Выбор соответствующего режима излучения может обеспечить возможность формирования акустических ударных волн.

На фиг.5 изображено устройство, предназначенное для излучения акустических волн, реализующее описанный выше способ.

Устройство для излучения акустических волн содержит работающий как поршневой излучатель преобразователь объемной волны в упругую волну с вертикальной поляризацией в виде тонкостенного трубчатого элемента 1 с каналом 2, содержащим жидкостную или газовую среду и расположенным в направлении распространения упругой волны в преобразователе. Преобразователь связан с возбудителем колебаний 12, например магнитостриктором, с помощью концентратора 13 и организующего акустический контакт между концентратором 13 и трубчатым элементом 1 контактного элемента 14. Трубчатый элемент 1 заключен в свой корпус 15, а возбудитель колебаний 12 размещен в охлаждаемой камере 16 корпуса возбудителя колебаний 17. Корпус 15 и 17, например, с помощью болтового соединения 18 герметично соединен друг с другом и образуют общий корпус устройства в целом. Возможно и другое конструктивное выполнение корпуса устройства. Верхней торцовой частью трубчатый элемент 1 опирается на верхнюю крышку 19, соединенную с корпусом трубчатого элемента 15, а нижним торцом опирается на установленный в специальном установочном седле 20 контактный элемент 14.

21 электроконтактное устройство для подведения электропитания к возбудителю колебаний 12 от внешнего источника (на фиг.5 не показан).

22 стягивающие и одновременно регулировочные болты, с помощью которых может осуществляться регулирование силы поджатия трубчатого элемента 1 к контактному элементу 14.

Контактный элемент 14 может быть выполнен активным (упругим) или пассивным (жестким) и обладает контактными поверхностями: конической 23 со стороны трубчатого элемента 1 и, например, как показано на фиг.5, сферической 24 со стороны концентратора 13, обеспечивающими акустический контакт соответственно со стенками трубчатого элемента 1 и торцом концентратора 13. Выполнение контактной поверхности 23 со скосом позволяет осуществлять воздействие на стенки трубчатого элемента 1 под углом к его оси. Возбудитель колебаний 12 установлен и зафиксирован на жесткой нижней крышке 25 корпуса 17, 26 соединительный элемент, например болт. Общее (внешнее) конструктивное выполнение устройства может быть самым различным в зависимости от назначения и конкретных условий применения.

Трубчатый элемент 1 выполнен с упругими, например стальными титановыми бронзовыми, стенками с возможностью возбуждения в них изгибных (для крупного канала радиально-изгибных) упругих бегущих волн деформации с вертикальной поляризацией. Толщина стенок трубчатого элемента 1 не превышает длины возбуждаемой в нем упругой волны, т.е. определяется условием h/2L > 1, где h - толщина стенки, L длина возбуждаемой изгибной полуволны.

Трубчатый элемент 1 может иметь канал 2 постоянного по длине сечения (диаметра d_к), однако его ширина (диаметр) не должна быть меньше удвоенной величины максимальной амплитуды (λ_макс) возбуждаемых в стенках изгибных (радиально-изгибных) волн (см.фиг.1). С другой стороны, для повышения эффективности излучения акустических волн ширина канала 2 должна быть соизмерима с указанной величиной, т.е. 2λ_макс/d_к≲ 1..

Для обеспечения высокой эффективности процесса волнообразования в стенках трубчатого элемента 1 (т.е. обеспечения высокой величины максимальной амплитуды смещения частиц в волне λ_макс и мощности возбуждаемых волн) и соответственно эффективности процесса генерирования в канале 2 и последующего излучения акустических волн трубчатый элемент 1 и его канал 2 выполняются специальным образом профилированными, с переменным сечением как диаметра канала 2, так и толщины стенок 1 по длине. Профилирование стенок 1 канала 2 имеет целью обеспечение эффективного излучения акустических волн, достигаемого за счет согласования возбуждаемых и отраженных от торца трубчатого элемента 1 обратных упругих изгибных волн с вертикальной поляризацией, суперпозиция которых определяет действующую амплитуду λ_макс бегущей изгибной волны в трубчатом элементе 1. В частности на фиг.5 изображен трубчатый элемент 1 с каналом 2, сужающимся от поверхности контакта возбудителя колебаний 12 с трубчатым элементом 1, например, по экспоненте, затем переходящий в образующий горловину прямой участок канала 2, который на концевом участке, например, также экспоненциально расширяется. При этом стенки канала 2 на концевом участке выполнены утолщающимися, например, экспоненциально. Возможно применение и иных специальных форм профилей стенок трубчатого элемента 1 и канала 2.

Для начального и при необходимости в процессе генерирования и излучения акустических волн последующего непрерывного отсоса содержащийся в начальном участке канала 2 среды при кавитирующем режиме генерирования акустических волн могут быть предусмотрен специальный сквозной канал 27 (на фиг.5 условно изображен пунктиром), связанный с внешним вакуумным насосом.

Трубчатый элемент 1 в процессе работы охлаждается за счет конвективного теплообмена с внешней средой. Охлаждение возбудителя колебаний 12 может осуществляться с помощью обычных методов и средств, например, за счет принудительной прокачки охлаждающей жидкости. С целью повышения надежности непрерывной работы трубчатого элемента 1 за счет интенсификации процесса охлаждения вокруг его выполнения проточный кольцевой зазор 28, связанный с внешней средой или средой, предназначенной для охлаждения. Как изображено на фиг.5 кольцевой зазор 28 через пазы 29 в установочном седле 20 связан с полостью охлаждающей камеры 16, в которой установлен возбудитель колебаний 12, и которая в свою очередь с помощью штуцера 30 связана с внешней охлаждающей средой. Выход проточного зазора 28 во внешнюю среду осуществляется с помощью отверстия 31 в корпусе трубчатого элемента 15.

При необходимости предохранения от внешнего акустического воздействия вокруг трубчатого элемента 1 выполняется акустический защитный слой-экран 32, например, из вибростойкой пористой резины или из других поглотителей акустического излучения.

Работа устройства для излучения акустических волн происходит следующим образом (см.фиг.1,4,5).

Под согласованным с нагрузкой (включая и полезную) колебательным воздействием (направление воздействия изображено на фиг.5 стрелками 33), осуществляемым с помощью возбудителя колебаний 12, концентратора 13 и контактного элемента 14, обеспечивающего требуемое распределение сил по всему периметру стенок трубчатого элемента 1, в упругих стенках последнего возбуждаются изгибные бегущие волны с вертикальной поляризацией 11 (см.фиг.4,5). При этом параметры возбуждающих колебаний (мощность, амплитуда, частота) выбираются таким образом, чтобы в наименьшем сечении канала 2, его горловине, имело место максимальное, в пределе практически полное, его перекрывание противолежащими гребнями возбуждаемых изгибных волн. Смыкающиеся в горловине канала 2 фронты возбуждаемых бегущих волн 5 (см.фиг.1,4) образуют своего рода поршни, перемещающиеся вдоль канала 2 с фазовой скоростью распространения изгибной волны в упругом элементе 1. Каждый волновой фронт-поршень 5 при взаимодействии с содержащейся в канале 2 жидкостной или газовой средой генерирует с ней акустическую волну (на фиг.1,4, позиция 6), которая излучается затем во внешнюю среду 7. Возбуждение в стенках канала 2 изгибных бегущих волн 11, а следовательно, и образование фронтов-поршней 5 производится с некоторой заданной частотой, в результате чего излучение акустических волн во внешнюю среду происходит также с соответствующей частотой. Упругие волны в стенках канала 2 могут возбуждаться как непрерывно, так и в импульсном режиме, одиночные и целом с заданной скважностью. В соответствующем режиме будет осуществляться процесс генерирования и излучения акустических волн.

Интенсификация охлаждения трубчатого элемента 1 происходит за счет того (см.фиг.5), что возбуждаемые в его стенках бегущие изгибные волны с наружной стоpоны захватывают своими гребнями содержащуюся в проточном зазоре 28 охлаждающую среду, в качестве которой может использоваться и окружающая среда, и прокачивает ее вдоль стенок 1 канала 2 (направление на фиг.5 показано стрелками 34). При этом охлаждающая среда через штуцер 30 засасывается в камеру 16, охлаждает возбудитель колебаний 12 и концентратор 13, затем поступает в кольцевой проточный зазор 28, охлаждает трубчатый элемент 1 и через отверстие 31 выбрасывается наружу.

Описанное устройство позволяет обеспечить высокую эффективность излучения акустических волн за счет сверхзвуковой (по отношению к скорости звука в среде их распространения) скорости движения волновых фронтов-поршней 5 в совокупности и малыми потерями энергии в стенках 1 излучающего канала 2 и возможности использовать энергию генерирующих акустических волн изгибных колебаний стенок 1 излучающего канала 2 для интенсификации процесса их охлаждения. Соответствующий выбор режима работы устройства может обеспечить возможность излучения ударных акустических волн.

Изобретение относится к ультразвуковой и импульсной технике и касается устройств, предназначенных для излучения в жидкостную или газовую среду акустических волн, в частности для локального акустического воздействия на малых расстояниях. Излучение акустических волн происходит за счет поршневого воздействия, осуществляемого путем возбуждения в стенках 1 канала 2 упругих волн с вертикальной поляризацией 3. Для повышения эффективности излучения толщина стенок 1 канала 2 не превышает длины возбуждаемой упругой волны, а поверхность контакта возбудителя колебаний с упругим элементом 1 выполнена со скосом. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ излучения акустических волн, состоящий в поршневом воздействии на ограниченную стенками канала среду, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности излучения, поршневое воздействие осуществляется путем возбуждения в стенках канала упругих волн с вертикальной поляризацией. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что возбуждение упругих волн с вертикальной поляризацией осуществляется путем воздействия на стенки канала под углом к его оси. 3. Устройство для излучения акустических волн, содержащее возбудитель колебаний, связанный с преобразователем объемной волны в упругую волну с вертикальной поляризацией, отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности излучения, в преобразователе в направлении распространения упругой волны выполнен канал, толщина стенок которого не превышает длины возбуждаемой упругой волны, а поверхность контакта возбудителя колебаний с преобразователем выполнена со скосом. 4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что канал в преобразователе выполнен сужающимся от поверхности контакта возбудителя колебаний с преобразователем, переходящим в канал постоянного сечения и расширяющимся на концевом участке. 5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что стенки канала на концевом участке выполнены утолщающимися. 6. Устройство по пп. 3 5, отличающееся тем, что преобразователь заключен в корпусе, в котором вокруг преобразователя выполнен связанный с охлаждающей средой проточный зазор.