Способ формирования звукопоглощающей среды

 

Изобретение относится к технике генерации и подавления звуковых колебаний и может быть широко использовано в различных областях техники, а именно при выполнении звукоизоляции, в акустических системах воспроизведения звуковых сигналов, безэховых камерах, глушителях шума газовых потоков выхлопных и вентиляционных систем, поглотителях вибраций, амортизаторах и др. Сущность изобретения заключается в том, что в известном способе формирования звукопоглощающей среды, включающем размещение в объеме, ограниченном звукоотражащей поверхностью источников звука и поглотителей звука, в качестве средства, поглощающего звук, используется система жидкость - насыщенный пар с границей раздела, причем граница раздела термостатирована, а в качестве термостата используется аккумулятор тепла. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к технике генерации и подавления звуковых колебаний и может быть широко использовано в различных областях техники, основанных на этих явлениях. Преимущественно это акустические системы, безэховые камеры, выполнение звукоизоляции, глушение шума газового потока выхлопных и вентиляционных систем, амортизаторы и поглотители вибраций и др.

В технике генерации и поглощения звука широко распространены технические решения, основанные на закономерностях материального мира, использующих электрические, магнитные, оптические, гидравлические и другие свойства.

Известен способ глушения шума газового потока, который, поступая в резервуар, расширяется, поднимаясь в его верхнюю часть, дросселирует через поперечные решетки, размещенные в корпусе по ходу газового потока. Одновременно навстречу газовому потоку в корпус через форсунки подается вода, орошающая поперечные перегородки, на которых за счет газодинамического взаимодействия потоков газа и воды образуются устойчивые пенные слои, разделенные межпенными объемами. Пенные слои образуются из множества пузырьков газа с широким диапазоном размеров, представляющих собой, как и замкнутые межпенные объемы - резонирующие объемы, поглощающие энергию звуковых колебаний. Размеры (объемы пузырьков) непрерывно меняются вследствие колебаний давления и изменения газодинамических параметров на перегородках, что и обеспечивает гашение звуковых колебаний в широком спектре частот. При прохождении газового потока через межпенные объемы происходит поглощение длинноволновых составляющих спектра. Эффективность шумопоглощения существенно повышается за счет изменения соотношения расходов газа и воды (авт. св. СССР N 1507998, кл. F 01 N 3/04, G 10 K 11/16, 1989).

Известно устройство защиты от акустических воздействий, основанное на использовании магнитных свойств материала, из которого выполнены отдельные элементы устройства. Оно содержит набор пластин из немагнитной фольги с закрепленными на каждой из них магнитопроводами с обмоткой и датчиками вибраций, соединенными через усилитель с аттенюатором, который в свою очередь, через фазовращатель и второй усилитель соединен с входом соответствующего канала источника питания изменяющейся частоты, выход которого соединен соответствующей обмоткой магнитопровода. Под воздействием акустической волны в пластинах возникают изгибные колебания, которые преобразуются датчиком в электрический сигнал, который после обработки и сдвига по фазе на величину, требуемую для компенсации вибраций, подается на вход многоканального источника питания изменяющейся частоты. С выхода источника питания на каждую обмотку магнитопровода и на каждую пластину подается питание с требуемой частотой, амплитудой и фазовым сдвигом. Под действием этого сигнала возникает явление линейного сжатия - расширения, а в пластинах - изгибные колебания в противофазе с колебаниями внешней звуковой волны. В результате сложения двух колебательных процессов происходит подавление внешних колебаний на каждой пластине и в устройстве в целом. Используя магнитострикционный эффект и конструктивные особенности выполнения устройства, обеспечивают генерирование частоты в широком диапазоне от десятых долей герца до сотен килогерц (авт. св. СССР N 1645992, кл. G 10 K 11/16, 1991).

Известны системы генерации звука, в которых путем сложной обработки сигнала получают звучание в требуемом диапазоне частот. В качестве примера такой системы можно указать громкоговоритель с регулированием амплитуды сигналов в зависимости от частоты (заявка PCT/EP 93/00941). Для улучшения воспроизведения нижних частот в громкоговорителях обычно усиливают амплитуду сигналов на этих частотах, что приводит к перегрузке при воспроизведении сигналов с большой амплитудой. Устраняют этот недостаток выявлением уровня сигналов, для которых необходимо уменьшать усиление амплитуды. Для этого перед детектором размещают полосовой фильтр или фильтр высоких частот. При этом возникает задержка регулирования, что приводит к искажению воспроизведения максимумов сигналов. Для предотвращения этого обеспечивают прохождения сигналов через фильтр с изменяемой полосой и детектор. Нижнюю частоту среза фильтра изменяют так, чтобы в диапазоне нижних частот получить максимальное ослабление сигнала. С выхода фильтра сигналы поступают на фильтр высоких частот с постоянным усилением на нижних частотах, а затем на дифференциальном усилителе сигналы усиливаются с учетом ослабления, внесенного фильтром. Восстановленные таким образом сигналы не создают перегрузок и обеспечивают генерирование в заданном диапазоне частот (заявка PCT 93/18626, кл. H 01 R 3/04, H 03 G 9/18,5/16, 1993).

Наиболее близким к предлагаемому является способ формирования звукопоглощающей среды в замкнутом объеме, реализованном в глушителе шума, содержащем замкнутый объем с входным и выходным патрубками, в котором размещается шумопоглощающий элемент, выполненный в виде чередующихся вдоль оси корпуса, начиная от входного патрубка, центральных и периферийных емкостей, заполненных жидкостью и резонансными непотопляемыми шарами, причем емкости закрыты газопроницаемыми крышками и снабжены погруженными в жидкость теплообменниками, соединенными с источником теплоносителя. Воздушный поток, проходя через газопроницаемые крышки, контактирует с резонансными шарами, теряя при этом часть звуковой энергии, дополнительное шумопоглощение имеет место за счет того, что часть энергии воздушного потока тратится на утапливание и перемещение резонансных шаров в жидкости. Возможность регулирования тепло- и массообмена между воздухом и жидкостью повышает эффективность шумопоглощения (авторское свидетельство СССР N 1550193, кл. G 10 K 11/16, F 01 N 3/04, 1989).

В основу данного изобретения положена задача создания способа формирования звукопоглощающей среды, позволяющего более эффективно, чем известный из уровня техники способ, обеспечивать высокий уровень звукопоглощения, в том числе в области низких частот.

Поставленная задача решается тем, что в способе формирования звукопоглощающей среды, включающем размещение источников звука и поглотителей звука в объеме, ограниченном звукопоглощающей поверхностью, в качестве средства, поглощающего звук, используется система жидкость - насыщенный пар с границей раздела, причем последняя термостатирована. Кроме того, в качестве термостата границы раздела в системе жидкость - насыщенный пар используется аккумулятор тепла. Как следует из приведенной выше совокупности существенных признаков, характеризующей данное изобретение, оно отличается от наиболее близкого аналога следующими существенными признаками : в качестве средства, служащего для поглощения звука, используется система жидкость - насыщенный пар с границей раздела; граница раздела термостатирована; в качестве термостата предложено использовать аккумулятор тепла.

Как отмечалось ранее для перечисленных выше технических решений, представляющих известный уровень техники, характерны достаточно сложная аппаратурная реализация в процессе их использования и недостаточная эффективность звукопоглощения.

Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, заключается в устранении недостатков, присущих известному наиболее близкому техническому решению, обеспечиваемому указанной выше совокупностью существенных признаков.

На фиг. 1 представлено устройство для реализации предлагаемого способа; на фиг. 2 - график зависимости коэффициента поглощения звукового поля от теплоемкости теплового аккумулятора.

Устройство для реализации данного способа содержит звукоотражающие поверхности 1, ограничивающие объем, в котором размещены источник 2 звука и звукопоглощающее средство, содержащее тепловой аккумулятор 3, поверхность которого покрыта конденсатом, испаряющуюся жидкость 4, насыщенный пар с газом 5. Звукопоглощающее средство заключено в герметичную звукопрозрачную оболочку 6.

Звуковое поле от источника и звукоотражающих поверхностей, проникая через герметичную звукопрозрачную оболочку, распространяется в среде насыщенного пара. Достигнув границы раздела жидкость - насыщенный пар, сформированной на поверхности термостата за счет смачивания его поверхности конденсатом, звуковые колебания поглощаются на этой границе раздела.

Реальность реализации предложенного способа обусловлена следующими теоретическими выводами и результатами экспериментальных исследований.

Известно, что давление насыщенного пара над жидкостью зависит только от температуры системы. Увеличение давления насыщенного пара приводит к переходу его части в жидкую фазу и наоборот, уменьшение - к испарению части жидкости, поэтому граница раздела жидкость - насыщенный пар с фиксированной температурой является идеальным поглотителем любого отклонения давления от термодинамического равновесного, в частности давления звукового поля. Вместе с тем конденсация и испарение жидкости сопровождаются отдачей или поглощением тепла, следовательно, изменением температуры этой границы. Вот почему возникает необходимость термостатирования этой границы при техническом использовании фазового перехода пар - жидкость в качестве поглотителя звука. Чем сильнее сглажены температурные колебания границы, тем выше уровень поглощения звука.

Граница раздела жидкость - насыщенный пар формируется на поверхности термостата смачиванием за счет сил поверхностного натяжения или конденсации.

На практике удобно пользоваться многокомпонентными растворами при температуре кипения или вблизи нее. Кипение раствора обеспечивает равенство атмосферного давления и давления насыщенного пара в замкнутом объеме. Многокомпонентность позволяет плавно регулировать температуру кипения путем изменения концентрации компонентов в растворе для адаптации к внешним условиям в соответствии с законом Рауля: p_i(T)x_i = y_iP(T), Σ x_i= 1, , Σ y_i= 1, , где p_i(T)-парциальное давление пара i компоненты при температуре T; x_i - молярная доля i компоненты в растворе;
y_i - молярная доля i компоненты в парах;
P(T) - общее давление насыщенного пара.

Оптимальным вариантом термостата для этих целей является тепловой аккумулятор. Самый простой тепловой аккумулятор - сам раствор или твердое тело, развитая поверхность которого смочена раствором. Исследования, проведенные для варианта с однокомпонентной жидкостью, показывают, что коэффициент уменьшения звукового поля (K) в замкнутом объеме емкостью V может быть определен из следующего выражения:

где
C - тепловая емкость термостата, (Дж/^oC);
V_o - объем граммоля пара, дм³;
F_o - теплота парообразования граммоля, Дж;
ΔT - интервал температур удвоения парциального давления пара над жидкостью, ^oC.

Способ в соответствии с настоящим изобретением реализован в образце, в котором тепловой аккумулятор - алюминиевые пластины, жидкость - раствор углеводородных соединений этановой группы с температурой кипения 25^oC, звукопрозрачная герметичная оболочка - фторопластовая пленка, источник звука - стандартный громкоговоритель, смонтированный в отверстии передней стенки корпуса акустической колонки емкостью 9 дм³. Результаты эксперимента иллюстрируются на фиг. 2.

Для технической реализации лучшего варианта изобретения необходимо сделать оптимальный выбор материала для изготовления звукопрозрачной, герметичной оболочки, испаряющейся жидкости, а также материала и конструкции термостата.

В качестве материала для звукопроницаемой оболочки удовлетворяют требованиям полиэтиленовые, лавсановые, майларовые, фторопластовые пленки, металлические фольги.

В качестве жидкости могут быть использованы предельные углеводородные соединения, достаточно безопасные в эксплуатации и пригодные для использования в широком интервале температур.

Наиболее существенным элементом в технической реализации лучшего варианта изобретения является тепловой аккумулятор. В качестве такового можно использовать саму жидкость, твердое вещество, поверхность которого смочена жидкостью, частично закристаллизованный расплав твердого вещества, открытая или закрытая поверхность которого смочена жидкостью. Тепловые аккумуляторы, использующие фазовый переход жидкость - твердое тело, имеют массогабаритные параметры на два порядка меньше, чем тепловые аккумуляторы, использующие просто теплоемкость вещества.

В соответствии с настоящим изобретением средство, реализуемое предлагаемым способом, не имеет ограничений на габариты и форму емкости с поглощающей средой, на температурные условия использования, на величину звукового давления, обеспечивает высокий уровень поглощения, оно значительно проще для аппаратурной реализации объектов техники по сравнению с известными звукопоглощающими средствами. В силу отмеченных качеств, предлагаемый способ найдет широкое использование в различных направлениях современной техники: звукоизоляции, безэховых камерах, акустических колонках, глушителях шума газового потока выхлопных и вентиляционных систем, поглотителей вибраций, амортизаторах и др.

Формула изобретения

1. Способ формирования звукопоглощающей среды, заключающийся в размещении источников звука и поглотителей звука в объеме, ограниченном звукоотражающей поверхностью, отличающийся тем, что в качестве средства, поглощающего звук, используют систему жидкость - насыщенный пар с границей раздела, причем границу раздела термостатируют.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что термостатирование осуществляют посредством аккумулятора тепла.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2