Способ генерации акустических колебаний

 

Изобретение относится к электроакустике и предназначено для генерирования акустических колебаний звуковой частоты в агрессивной высокотемпературной среде при повышенных давлениях и может быть использовано, например, для диагностики высокофорсированных камер сгорания. Сущность: способ заключается в том, что в зазор между электродами высокого напряжения подают рабочий газ, поджигают дугу и модулируют ее. При этом модуляцию дуги производят воздействием на нее переменным магнитным полем звуковой частоты. Технический результат: повышение интенсивности колебаний при повышенных температурах и давлениях. 1 ил.

Изобретение относится к электроакустике и предназначено для генерирования акустических колебаний звуковой частоты в агрессивной высокотемпературной среде при повышенных давлениях, и может быть использован, например, для диагностики высокофорсированных камер сгорания авиационных и ракетных двигателей на акустическую неустойчивость, где рабочие процессы сопровождаются при повышенных давлениях, температурах и скоростях горения.

Известен способ генерации акустических колебаний /см. авт. свид. СССР №1839970 М. кл. B 06 B 1/20/, при давлениях и температурах, близких к нормальным, путем продува межэлектродного зазора рабочим газом и подачи на электроды модулированного высокого напряжения, зажигания пульсирующей дуги и излучения акустических колебаний в широком спектре частот. При этом излучение акустических колебаний происходит в результате адиабатического расширения высоконагретой пульсирующей плазмы, вытекающей под действием рабочего газа с выходного электроразрядного канала. Однако эффективность известного способа генерации акустических колебаний уменьшается с увеличением температуры окружающей среды, т.к. переменная составляющая тепловыделения δQ, а следовательно, и температура δТ пульсирующей плазмы за период модуляции уменьшаются с увеличением температуры окружающей среды. Так, например, переменная составляющая температуры δТ высокочастотного факельного разряда в атмосфере воздуха при частоте модуляции 300 Гц составляет около 600°K /Л.В.Попов, А.Л.Столов. Уч. зап. Каз. ГУ, 1953, 113, 9, c.81/. При этом охлаждение межэлектродного промежутка за период модуляции происходит за счет конвективного сноса нагретой плазмы. Переменная составляющая температуры δТ может быть увеличена за счет принудительного сноса нагретой плазмы с межэлектродного промежутка потоком газа, т.е. за счет снижения минимальной температуры пульсирующей плазмы, что имеет место в известном способе генерации акустических колебаний /см. авт. свид. СССР №1839970, Мкл. В 06 В 1/20/. Однако при этом понижается также максимальная температура пульсирующей дуги за счет охлаждения ее потоком газа, что снижает интенсивность акустических колебаний.

Следует также отметить, что при совпадении максимальной температуры пульсирующей дуги с температурой окружающей среды излучение звука прекращается, т.к. в этом случае δQ и δТ равны нулю и поэтому не происходит адиабатического расширения струи плазмы, вытекающей с выходного электрода.

Целью настоящего изобретения является создание генератора акустических колебаний с высоким уровнем звукового давления, устойчиво работающего в высокотемпературных агрессивных средах при повышенных давлениях.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе генерации акустических колебаний, включающем процесс продувки межэлектродного зазора рабочим газом и подачи на электроды высокого напряжения, зажигания дуги и последующей ее модуляции, модуляцию постоянно горящей дуги производят с помощью внешнего переменного магнитного поля звуковой частоты. При этом дуга периодически сжимается в радиальном направлении в результате взаимодействия переменного магнитного поля с вихревыми токами, возбужденными этим полем в дуге. Периодическое сжатие постоянно горящей дуги переменным магнитным полем приводит к периодическому нагреванию дуги, что в свою очередь вызывает появление переменной составляющей тепловыделения. Периодически истекая с выходного электрода и адиабатически расширяясь, струя плазмы генерирует акустические колебания. Следует отметить, что по предлагаемому способу генерации акустических колебаний максимальная температура пульсирующей дуги практически не ограничена, т.к. последняя определяется напряженностью внешнего магнитного поля и током в дуге. Поэтому следует ожидать появление большой составляющей тепловыделения δQ и температуры δТ пульсирующей дуги и как следствие этого генерация акустических колебаний высокой интенсивности по сравнению с известным способом. В известном способе генерации акустических колебаний /см. авт. свид СССР №191191 М.кл. В 06 В 1/20/ максимальная температура пульсирующей дуги ограничена, т.к. она не может превышать температуру самой дуги. Минимальная температура в лучшем случае определяется температурой окружающей среды, а на самом деле она намного выше, т.к. в силу тепловой инерционности межэлектродный промежуток не успевает охлаждаться за период модуляции до температуры окружающей среды. В силу этого в известном способе генерации акустических колебаний перепад температуры δТ и переменная составляющая тепловыделения δQ пульсирующей плазмы не могут достигать больших значений, а следовательно, и интенсивность акустических колебаний не может достигать больших значений.

Предлагаемый способ генерации акустических колебаний в отличие от известного способа позволяет излучать акустические колебания при повышенных давлениях, т.к. в этом случае нет необходимости зажигать и гасить дугу при повышенных давлениях, сопряженных с высоким потенциалом пробоя межэлектродного промежутка. Зажигание постоянно горящей дуги при повышенных давлениях /до 1·10⁸ Н/м²/ не представляет технической трудности /см. Основы расчета плазмотронов линейной схемы. Под. ред. М.Ф.Жукова, Новосибирск, 1979/, т.к. инициирование разряда производят одним из известных способов, например, замыкают электроды в момент зажигания или же подают осциллирующее напряжение от блока поджига.

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 чертеже, поясняющем сущность изобретения, представлена блок-схема устройства, в котором реализован описываемый способ генерации акустических колебаний /см. чертеж/. Это устройство включает водоохлаждаемые электроды 1 и 2, которые подключены к источнику постоянного напряжения /БП/. Электроды изготовлены из меди и изолированы друг от друга фторопластовой шайбой 4. Рабочий газ в электроразрядный канал 5 подается тангенциально. Электрод 2 помещен внутрь соленоида 3, который через трансформатор тока соединен с низкочастотным усилителем, на вход которого подается сигнал звукового генератора /ЗГ/, Внутри соленоида 3 создается переменное магнитное поле звуковой частоты, которое периодически сжимает постоянно горящую дугу между электродами 1 и 2. Период сжатия дуги Т зависит от частоты переменного магнитного поля f и определяется соотношением: Т=I/f. При этом соленоид располагается так, чтобы весь ствол дуги находился в магнитном поле, т.е. соленоид располагается не в зоне привязки дуги, а в доуступной части электрода 2. Надо отметить, что через медь магнитное поле проходит практически без потерь, т.к. магнитная проницаемость меди μ=1.

Описанный способ был реализован. Эксперименты подтвердили эффективность данного предложения.

Пример. Рабочий газ /азот/ подавался тангенциально в электроразрядный канал 5. На электроды 1 и 2 накладывалось постоянное высокое напряжение и зажигалась дуга с током до 40 А. На соленоид 3 с усилителя мощности через трансформатор тока Тр накладывалось переменное в звуковом диапазоне напряжение с частотой f=1000 Гц, током до 80 А и разностью потенциалов 5 В. В результате взаимодействия переменного магнитного поля с током дуги происходило периодическое сжатие ее, нагревание и истечение с выходного электрода. Периодически истекающая струя высоконагретой плазмы, адиабатически расширяясь, генерировала акустические колебания частотой 1000 Гц и интенсивностью до 100 dB. При этом измерительный микрофон шумомера находился на расстоянии 1 м от генератора акустических колебаний.

Использование предлагаемого способа генерации акустических колебаний по сравнению с существующими способами обеспечивает следующие преимущества:

а/ возможность генерирования акустических колебаний большой интенсивности в высокотемпературной агрессивной среде;

б/ надежная и устойчивая работа генератора акустических колебаний при повышенных давлениях, т.к. в описываемом способе дуга горит постоянно;

в/ применение данного способа позволяет значительно упростить, уменьшить вес и габариты генератора акустических колебаний.

Формула изобретения

Способ генерации акустических колебаний, заключающийся в том, что в зазор между электродами высокого напряжения подают рабочий газ, поджигают дугу и модулируют ее, отличающийся тем, что, с целью повышения интенсивности колебаний при повышенных температурах и давлениях, модуляцию дуги производят воздействием на нее переменным магнитным полем звуковой частоты.

РИСУНКИ