Резонансный генератор акустических колебаний

Использование: для создания акустической волны. Сущность: заключается в том, что резонансный генератор акустических колебаний содержит коаксиально установленные цилиндрический статор в виде акустического резонатора и охватывающий его цилиндрический ротор, в боковых стенках которых выполнены равномерно расположенные по окружности сквозные отверстия, два - в статоре и нечетное число - в роторе. Ротор равномерно вращается приводом и содержит средство для подачи газа в ротор. Генератор отличается тем, что для оптимизации расхода газа ротор вращается вокруг статора с небольшим трением, для согласования резонансной частоты с низкой частотой вращения ротора внутри статора установлены понизители частоты - неупругие шарнирно закрепленные легкие лопасти, увлекающиеся вибрирующим потоком газа, съем энергии осуществляется посредством излучателя, расположенного в центре статора. Технический результат: использование расхода газа без потерь, исключительно на возбуждении резонансных колебаний в статоре и, как следствие, повышение КПД. 9 ил.

 

Изобретение относится к акустике, а именно к резонансным генераторам акустических колебаний большой мощности.

Известны генераторы мощных акустических колебаний - динамические радиальные сирены, содержащие коаксиально установленные цилиндрические статор и ротор, в боковых стенках которых выполнены равномерно расположенные по окружности сквозные отверстия, и средства для подачи рабочей среды в ротор /Ультразвук. Маленькая энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия, 1979, с.324-325/. Принцип действия сирен основан на периодическом прерывании потока газа, истекающего из ротора.

Недостатками таких генераторов являются широкополосность спектра генерируемого акустического сигнала, нестабильность и сравнительно невысокий КПД, практически не превышающий 50%.

С целью устранения указанных недостатков в качестве прототипа принят резонансный генератор акустических колебаний, содержащий коаксиально установленные цилиндрический статор в виде акустического резонатора и цилиндрический ротор, в боковых стенках которых выполнены равномерно расположенные по окружности сквозные отверстия, два - в статоре и нечетное число - в роторе, и средство для подачи газа в ротор /Решение о выдаче патента на изобретение по заявке №92016187/28. Приоритет 28.12.92, МКИ 5 В 06 B 1/20. 25.09.96/. Его принцип действия основан на периодических толчках полого резонатора-статора небольшим избыточным давлением газа со стороны вращающегося возбудителя-ротора. Резонансный режим функционирования обеспечивает монохроматичность генерируемого акустического сигнала, надежность и эффективность работы.

Недостатком прототипа является повышенный расход газа вследствие постоянного зазора между вращающимся ротором и неподвижным статором.

Задача, решаемая изобретением, - использование расхода газа без потерь, исключительно на возбуждение резонансных колебаний в статоре и, как следствие, повышение КПД.

Поставленная задача решается тремя существенными отличиями от прототипа.

1. С целью обеспечения оптимального экономного расхода газа ротор вращается вокруг статора с небольшим трением на смежных поверхностях, препятствующим выходу газа из отверстий ротора, пока они не совпадут с отверстиями статора. Расход газа осуществляется лишь в момент совпадения отверстий ротора и статора, когда ротор отдает часть сжатого газа резонатору, генерируя периодические колебания.

2. Малость трения не требует значительного расхода энергии по вращению ротора, тем не менее ставя ограничения на скорость его вращения. Поэтому введены понизители собственной частоты акустических колебаний резонатора, чтобы частота вращения ротора отвечала резонансной частоте статора.

3. Введен съемник акустической энергии, выполненный в виде излучателя волны, расположенного в центре резонатора.

На фиг.1 и 2 изображена схема описываемого генератора (поперечный и продольный разрезы соответственно); на фиг.3 - схема воздействия потоков газа, истекающих из отверстий ротора, на отверстия статора; на фиг.4 - временные развертки избыточного давления, действующего на щель статора; на фиг.5 - спектр равномерной последовательности импульсов; на фиг.6 - угловые развертки амплитуд временных гармоник избыточного давления, действующего на поверхность статора; на фиг.7 - разложение периодической ступенчатой функции угловой координаты в ряд Фурье по пространственным гармоникам; на фиг.8 - амплитудно-частотная характеристика акустических колебаний вязкого теплопроводного газа в центре цилиндрического резонатора при возбуждении на границе ступенчатой функцией избыточного давления, изображенной на фиг.7; на фиг.9 - зависимость резонансной частоты колебаний цилиндра от его радиуса с понизителями частоты (штриховая линия графика) и без понизителей (сплошная линия).

Резонансный генератор акустических колебаний содержит коасиально установленные цилиндрические статор 1 и ротор 2, равномерно вращаемый приводом (газовая турбина или электродвигатель) 3, средства 4 подачи в ротор рабочей среды (воздух или другой газ под давлением), понизители резонансной частоты 5, излучатель 6. Статор 1 выполнен в виде акустического резонатора. В боковой стенке статора 1 имеются две диаметрально противоположные щели. Понизители частоты 5 выполнены как неупругие шарнирно закрепленные легкие лопасти, увлекающиеся вибрирующимся потоком газа. Ротор 2 охватывает поверхность статора 1 и медленно вращается вокруг него с небольшим трением на сопрягающихся поверхностях (коэф. трения ˜0.15). На внутренней поверхности ротора 2 выполнено нечетное число отверстий, равномерно распределенных по окружности.

Принцип работы. Вынуждающие силы, действующие на резонатор.

При равномерном вращении ротора с угловой скоростью ω, на поверхности которого располагается нечетное число n равномерно отстоящих друг от друга радиальных потоков газа, каждая из диаметрально противоположных щелей на поверхности статора поочередно испытывает пульсацию давления (фиг.3).

Толчки избыточных давлений действуют на верхнюю и нижнюю щели резонатора поочередно и равномерно, как показано на временных развертках давлений для обеих щелей (фиг.4).

Гармонический состав равномерной последовательности импульсов представляет собой ряд натуральных чисел (фиг.5), причем максимальная амплитуда возмущения отвечает основной гармонике с частотой λ₀. Одновременное воздействие гармоник возмущения на обе щели описывается угловыми развертками, представленными на фиг.6. Как видно, зависимость избыточного давления на поверхности резонатора для основной гармоники частоты λ₀, имеющей максимальную амплитуду представляет собой ступенчатую функцию угловой координаты периода 2π.

Вынужденные колебания акустического резонатора.

Со стороны ротора на поверхность статора-резонатора действуют гармонические во времени и ступенчатые по угловой координате функции избыточного давления. Рассмотрим угловую развертку (зависимость от угловой координаты) основной гармоники возмущения избыточного давления частоты λ₀, с наибольшей амплитудой (фиг.7). Основная гармоника этой ступенчатой периодической функции - однопериодная синусоида. Именно ей отвечают максимальные ненулевые акустические колебания в центре цилиндра, откуда осуществляется съем энергии посредством излучателя 6 на фиг.2. Амплитудно-частотная характеристика колебательного смещения газа на оси цилиндрического резонатора (фиг.8) показывает, что наибольшее усиление колебаний обеспечивает первый (основной) резонанс /Свияженинов Е.Д. Спектральные методы решения задач о колебаниях диссипативных механических и электродинамических систем с распределенными параметрами/ дис. д-ра наук СПб., 1994, 432 с./. Для цилиндрического резонатора 1 радиуса R частота основного тона равна

где с - скорость звука в газе, заполняющем ротор, α₁ -первая точка экстремума функции Бесселя первого порядка J₁(α).

Важно, чтобы резонансный режим обеспечивался медленным вращением ротора 2. С этой целью введены понизители частоты 5 - неупругие шарнирно закрепленные легкие лопасти, увлекающиеся вибрирующимся потоком газа. Имея нулевые парциальные собственные частоты, они существенно снижают резонансную частоту акустической системы и используются для ее задания выбором параметра инерции (фиг.1)

В результате частота вращения ротора f будет небольшой, что обеспечит благоприятный режим скольжения ротора 2 по поверхности статора 1

где n - число отверстий ротора 2.

Резонансный генератор акустических колебаний, содержащий коаксиально установленные цилиндрический статор в виде акустического резонатора, цилиндрический ротор, в боковых стенках которых выполнены равномерно расположенные по окружности сквозные отверстия, два - в статоре и нечетное число - в роторе, средство для подачи газа в ротор и съемник акустической энергии, отличающийся тем, что ротор установлен относительно статора без зазора с возможностью проскальзывания, внутри статора смонтированы понизители частоты в виде неупругих шарнирно закрепленных лопастей для согласования частоты вращения ротора и резонансных акустических колебаний статора, а съем последних осуществляется с помощью излучателя, расположенного в центре статора.