Генератор акустических колебаний

 

Изобретение относится к электроакустике, а более конкретно к устройствам для генерирования акустических колебаний звуковой частоты в агрессивной высокотемпературной среде при повышенных давлениях и может быть использовано, например, для диагностики высокофорсированных камер сгорания. Сущность: генератор содержит торцевой электрод и соосно расположенный с ним полый электрод, источник постоянного напряжения и последовательно соединенные источник переменного напряжения звуковой частоты и соленоид. Источник постоянного напряжения подключен к электродам. При этом полый электрод выполнен из двух частей, а соленоид расположен между ними и электрически изолирован от них. Изоляция может быть выполнена из жаропрочной керамики. Технический результат: повышение интенсивности колебаний при повышенных температурах и давлениях. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к электроакустике, а более конкретно к устройствам для генерирования акустических колебаний звуковой частоты в агрессивной высокотемпературной среде при повышенных давлениях, и может быть использовано, например, для диагностики высокофорсированных камер сгорания авиационных и ракетных двигателей на акустическую неустойчивость, а также может быть использовано в плазмохимической технологии.

Известен генератор акустических колебаний, содержащий торцевой водоохлаждаемый катод и соосно расположенный с ним полый водоохлаждаемый анод, связанные с источником высокого модулированного напряжения для зажигания пульсирующей дуги. Генерирование акустических колебаний происходит в результате периодического истечения высоконагретой плазмы и ее адиабатического расширения.

Недостатком известного устройства является неустойчивость его работы при повышенных давлениях (см. авт.св. СССР №1839970, МКИ В 036 В 1/20).

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство для генерирования акустических колебаний при повышенных давлениях и температурах окружающей среды, представляющий собой типичный электродуговой нагреватель газа с двумя электродами, связанные с источником постоянного напряжения, и соленоид, соединенный с выходом низкочастотного усилителя, на вход которого подается сигнал звукового генератора (см. авт. свид. СССР №1839972, МКИ В 06 В 1/20). При этом в результате взаимодействия переменного магнитного поля с током электрической дуги происходит периодическое истечение пульсирующей дуги из выходного электрода. Периодическое истечение высоконагретой плазмы и ее адиабатическое расширение приводят к генерации акустических колебаний заданной частоты.

Однако интенсивность акустических колебаний известного генератора невысокое из-за больших энергозатрат на создание высокой напряженности магнитного поля, т.к. оно создается соленоидом, расположенным с внешней стороны выходного электрода. Вследствие этого внутренний диаметр соленоида определяется размерами каркаса соленоида, электроразрядного канала и водянной рубашки охлаждения.

Известно, что напряженность магнитного поля соленоида на его оси при прочих равных условиях существенно зависит от его диаметра - она увеличивается с уменьшением диаметра. Поэтому повышение напряженности магнитного поля, a следовательно, и интенсивности акустических колебаний, в известном генераторе возможно только за счет увеличения мощности усилителя, т.к. минимальный диаметр соленоида ограничивается размерами выходного электрода. Кроме того, в известном генераторе наблюдается экранировка магнитного поля вихревыми токами, возникающими в электроразрядном канале, что также снижает эффективность воздействия магнитного поля на дугу.

Целью изобретения является повышение интенсивности акустических колебаний генератора путем увеличения напряженности магнитного поля без дополнительных энергозатрат.

Указанная цель достигается тем, что в генераторе акустических колебаний, содержащем торцевой электрод и соосно расположенный с ним полый канал-электрод, связанные с источником постоянного высокого напряжения для зажигания дуги, полый канал-электрод выполнен из двух частей, между которыми расположен соленоид в виде спирали, изолированный электрически от канала-электрода. Соленоид соединен с источником переменного тока звуковой частоты. Это обеспечивает повышение напряженности магнитного поля за счет уменьшения его диаметра и позволяет эффективно воздействовать на постоянно горящую дугу в канале выходного электрода и тем самым увеличить амплитуду генерируемых акустических колебаний, т.е. повысить интенсивность акустического излучения генератора без увеличения мощности усилителя. Кроме того, соленоид выполняет роль межэлектродной вставки, которая, как известно, устраняет шунтирование дуги в электроразрядном канале, что исключает случайные колебания тока дуги и тепловыделения, а следовательно, и связанные с ним излучения акустических волн.

Таким образом, у заявляемого решения появляются свойства, не совпадающие со свойствами известного решения, поэтому на основании п.52 (ЭЗ-1-79) можно сделать вывод о том, что решение обладает существенными отличиями.

На фиг.1 изображен описываемый генератор акустических колебаний; на фиг.2 - прямая съемка струи плазмы, истекающей из выходного электрода; на фиг.3 - зависимость напряженности магнитного поля в центре соленоида на его оси от диаметра соленоида; на фиг.4 - осциллограммы тока и напряжения дуги; на фиг.5 - зависимость амплитуды акустических колебаний от напряженности магнитного поля.

Генератор акустических колебаний включает водоохлаждаемый торцевой медный катод 1 с циркониевой вставкой 2, полый выходной электрод (анод) 3 со спиралевидным соленоидом 4 внутренним диаметром 8 мм, соединенный с выходом усилителя для получения переменного магнитного поля, керамики 5 для изоляции витков соленоида друг от друга и от электрода 3, штуцеры для подачи и отвода воды 7 и 8 соответственно, штуцеры для подачи рабочего газа в вихревую камеру 6, фторопластовый изолятор 9 для изоляции электродов 1 и 3, Электроды 1 и 3 соединялись с источником стабилизированного постоянного напряжения мощности до 10 кВт.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

При подаче рабочего газа (воздуха) в штуцер 6 и постоянного высокого напряжения на электроды 1 и 3 зажигается дуга в электроразрядном канале электрода 3 с максимальным током до 70 А, которая взаимодействует с переменным магнитным полем соленоида 4. При этом на соленоид подается переменное напряжение звуковой частоты с разностью потенциалов до 100 В и током до 20 А. В результате взаимодействия переменного магнитного поля соленоида 4 с током дуги происходит периодическое истечение струи высоконагретой плазмы (см. фиг.2) из выходного электрода, которая адиабатически расширяясь, генерирует акустические колебания заданной частоты в широком спектре частот. Верхний диапазон излучаемых частот определяется полосой пропускания используемого усилителя и равнялся 10 кГц.

Эксперименты показывают, что напряженность магнитного поля на оси соленоида в предлагаемом устройстве в 2,4 раза больше по сравнению с напряженностью магнитного поля известного устройства при одинаковой мощности затрачиваемой электрической энергии и количестве витков соленоида, т.к. диаметр соленоида имеет минимально возможное значение и равняется диаметру электроразрядного канала. Последнее наглядно иллюстрируется графической зависимостью напряженности магнитного поля от диаметра соленоида (см. фиг.3). Из графика видно, что с уменьшением диаметра соленоида происходит резкое увеличение напряженности магнитного поля на оси соленоида. В предлагаемом устройстве диаметр соленоида равняется 8 мм, а в известном устройстве он равнялся 40 мм (минимальный диаметр соленоида в известном устройстве лимитируется толщиной каркаса соленоида и размерами водяной рубашки охлаждения электроразрядного канала), что позволяет увеличить напряженность магнитного поля без дополнительных энергозатрат, эффективней воздействовать на постоянно горящую дугу и осуществить более глубокую модуляцию по току и напряжению. Наглядным подтверждением этого являются осциллограммы модуляции тока (верхняя кривая) и напряжения (см. фиг.4).

От глубины модуляции, т.е. от напряженности магнитного поля зависит интенсивность акустических колебаний (см. фиг.5). Из рассмотрения графиков видно, что амплитуда акустических колебаний (в дВ) линейно возрастает с увеличением напряженности магнитного поля. Сказанное свидетельствует об эффективности предлагаемого генератора акустических колебаний.

Использование предлагаемого генератора по сравнению с известным устройством позволяет обеспечить следующие преимущества:

1) уменьшить вес и габариты генератора акустических колебаний;

2) генерировать акустические колебания высокой интенсивности во всем звуковом диапазоне.

Формула изобретения

1. Генератор акустических колебаний, содержащий торцевой электрод и соосно расположенный с ним полый электрод, подключенный к ним источник постоянного напряжения, последовательно соединенные источник переменного напряжения звуковой частоты и соленоид, отличающийся тем, что, с целью повышения интенсивности излучения, полый электрод выполнен из двух частей, а соленоид расположен между ними и электрически изолирован от них.

2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что изоляция выполнена из жаропрочной керамики.

РИСУНКИ