Акустический генератор

 

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.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (Я)5 G 10 K 9/12

ГОСУДАРС ГВЕ ННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4935284/10 (22) 12.05.91 (46) 07.09.92, Бюл, N 33 (75) В.И.Лебедь (56) Авторское свидетельство СССР

К 357587, кл, 6 10 К 7/04, 1972, (54) АКУСТИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР (57) Использование: в области технической акустики и s качестве источника мощных и сверхмощных звуковых сигналов в судостроении. Сущность изобретения — coäåðжит 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 одИзобретение 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. N 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 возможно„„. Ж„„176О539 Al ну 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. стью перемещения в патрубке соосно резонансной камере, причем соотношейие 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 прото 1п и предлагаемый генератор.

Сирены содержат источник газовой (воздушной) струи и прерыватель потока.

Сирены, в частности сирена фон Герке, конструктивно выполнены похожим на предлагаемый генератор, на по картине образования акустических колебаний ничего общего с ним не имеют. Кроме т(го, сирены имеют существенный недоФаток по

1760539

55 сравнению с предлагаемым акустическим генератором. В связи с тем, что принцип действия сирен основан на модуляции газового потока, не менее половины,.гощнос ..и в них затрачивается на постоянную составляющую, что сни>кает КПД.

Из известных акустических генераторов наиболее близким по технической сушности к предлагаемому устройству является электротифон по авт. св. N-. 357587.

Он содержит рупор, закрепленный на цилиндре с поршнем, сопря>кенным с кулачковым валом, кинематически связанным с электродвигателем, при этом в поршне заполнено окно с размещенными внутри него телами вращения, сопряженными с кулачковым валом.

Вал двигателя данного электротифона соединен с редуктором, с помощью которого скорость вращения доводиться до необходимой, 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 соедингется 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 дви>кение, При увеличении могцности излучателя 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 упрогцение 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

50 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 предлагаемого 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 и роекции.

Акустический генератор содержит корпус в 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 четыре>.лопастное 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; дни.це на втором торце трубы 10; равномерно установленнь!е радиальные перегородки

11 между днищем и рабочим колесом, количество которых равно количеству лопастей колеса; такие же радиальные перегородки

12 между 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 pyno ра; окна 15 ; 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.

1760539

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 грубы, а лопасти 9 рабочего колеса наоборот как всасывающие из отрезка 1 трубы и как нагнетающие в отрезок 1 трубы.

Если бы не была радиальных перегородок 11 и 12, ни всасывания, ни нагнетания в отрезки 1 и 2 трубы не было бы. Поскольку перед рабочим колесом 6 с обеих стаоон установлены радиальные перегородки 11 и

12, образующие полости 16 — 9, картина меняется принципиальна. Пеаегород<и в огрезке 2 трубы при этом да аси 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 тс-à,,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, Обьем полости (т.е. ее высота при заданном диаметре трубы) выбирается из соображений допустимых флюктуаций 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 противофазе.

При этом в отрезке 2 трубы, расположенном на противоположной стороне рабочего колеса 6, 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 противафазную генерацию друг атf

41

55 носительна друга, также как соседние полости в одном отрезке трубы.

Таким образом с одной стороны рабочега <олеса синфазная генерация осуществля""òñÿ полостями 16, противофазная полостями 17, с другой стороны рабочего коласа синфазная генерация осуществляется сдвинутыми на одну по отношению к г ервым полостям 18, противофазная полостями 19.

Генератор (фиг.1 и 2) имеет две положительные рабочие лопасти, две отрицательные. Б ка><дом участке трубы при этом имеется по четыре полости. Две из них являются синфазными, две противафазными, В первом и втором отрезках трубы синфазные и противафазные полости смещены на одну друг относительно друга.

Картина образования синфазных и противофазных излучений напоминает картину излучения поршневого генератора, хотя внешне зти 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 противафазные 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 ока 15. прорезанных в корпусе, Ожидалось, чта 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 1бв лучше, чем при з"ê,ðûòûõ. Высота полостей, т.е.

1760539 длина Вс8ГО Генератора, мсже; б:. Tü В тзкОм случае несколько уменьшена.

Кроме четы рехлопгастнаго рзб >чего колеса вентилятора может испальэс аться рабочее колесо с любым четнь:м халичествoм 5 лопаст8Й дс разумных l ределав

2,4,6,8,10,12,14,16, Количества полостей в трубах при зтсм дОлжно бы Гь раз?го количе ству лопастей рабочего колеса.

Из теории Ос8вых 88нтилятарав изВест- 10 . но, что увеличение количества лопастей может повести к снижению КПД за счет увеличения закручивания пстака, однако в данном случае зтОГО с кидать н8 прлходится, т,к. перегородки прегятствуют закручи- 15 ванию, В связи с широким изменением пределов использования количества лопастей отпадает надабнос-ь в редукторе, Генератор с количеством лопастей 2 излучает на частоте, равной скорости Вращения дви- 20 гателя (50Гц при 3000 об/мин), с количеством лопастей 16 — на частоте, в 8 раз превышающей скорость вращени двигателя. Редукция как бы переместилась из механического редуктора в воздушный, 25

Особо следует оговорить вопрос выбора величины расстояний между рабочим колесом и перегородками, который имеет важ ное значение. Известно, чта в aèðåHàõ, также имеющих ротор и стзтар (аналоги ра- 30 бочего колеса и перегородок), расстояние между ними составляет десятые дали мм, Ротор имеет так называемую скользящую посадку внутри или па отношению к статору, При увеличении мощности и, следсва- 35 тельно, диаметра сирены Выполнить такую посадку Становится крайне сложно. Прл увеличении же зазора резко на:инзет падать КПД сирены, т,к. возрастает постоянная составляющая потока за счет пр-.-рь.ва 40 воздуха при перекрытии отверстий ротора и статс ра.

Именно возможность до максимальной степени перекрытия отверстий в сиренах дает возмо>кность доводить переменную са- 45 ставляющую потока в лучшем случае до

-0 og

В предлагаемом генераторе Величина зазора игоает совершенно иную раль. Переменная составляющая уже на выходе ра"o- 50 рв (рабочего колеса) имеет 100,4, т,к, нз

Вход полостей 16-19 работают попеременно положительные 8 и отрицательные 9 лапаСти. Минимальным зазор Выбирается v, том смысле., что не должно быть перетека- 55 ния положительных M отрицательных потоков В ненужных н праВлениях, ЙСПЬгтаНИЯ ИЗГОТОВЛЕННОГО ЗК>гДТИЧЕ скОГО Генератора прсизВодились при 333ор8

15 мм. Ии 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 а«устическога генератора может быть существенно увеличена из-за отсутствия сложного возвратно-поступательного движения рабочего органа..Она может в принципе быть доведена да мощности осевых Вентиляторов. т.е. 1000 Квт и больше. Прототип на акустическу о мощность больше 1,5-2 Квт практически уже не работоспособен, Б предлагаемом генераторе упрощается конструкция и повышается надежность за счет отсутствия механического редуктора и кулачковоГо или кулисно-шатунного механизма.

Были проведены эксперименты, подтверждаюшие работоспособность предлагаемого акустического генератора.

Испытывался акустический генератор диаметром 600 мм и скоростью вращения рабочега колеса около 1500 об/мин, т.е. абеспе.ивающий окружную скорость концов лопастей около 50 м/с, Были получены

125 бв на выходе рупора, При увеличении окружной скорости концов лопастей генератора до 100-150 м/с и подборе оптимальных параметров конструкции генератора мощность его существенно Возрастает и КПД может составить

707 . (у прототипа 40/o}, Зкономический зффекг оТ использования изобретения применительно к единице продукции может составить около 3500 руб.

Формула изобретения

1. Акустический генератор, содержащий корпус в виде трубы, один конец из тооцов которой соединен с согласующим рупором, и установленный внутри трубы нз ее оси рабочий орган с г<риводсм, о т л и ч а ю щ ий с 5l тем, что, с целью повышения излучаемой мощности и упрощения конструкции, рабочий оргач выполнен в виде рабочего колеса вентилятора с четным числом лопастей, которые через одну имге ат противополс>кные углы этаки., при этом второй торец трубы снабжен днищем, внутри трубы меж- ду днищем и рабочим колесом вентилятора равномерна радиальные перегородки, количество которых равно количеству лопастей колеса, между рабочим колесам и входом рупора установлены такие же радиальные г:ерегородки, полости между которыми через одну снабжены поперечными перегородками со стороны рупора, а полости

1760539 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, отл и ч а и щи йс я тем, что в стенках корпуса всех полостей между радиальными перегородками, которь|е не соединены с входом согласующего

5 рупора, выполнены сквозные окна, 1760539

Составитель В,Лебедь

Техред М.Моргентал Корректор С.Лисина

Редактор А.Сухая

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101

Заказ 3188 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская маб., 4/5