Устройство для определения кавитационной прочности жидкостей
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСХОМУ СВИДЕТЕЙЬСТВУ п1 5268!9
Союз Советских
".oIIèàëíñTí÷åñêèII
Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 18.04.75 (21) 2126544, 10 (51) М, Кл. - б OIN 29, 02 с присоединением заявки № (23 1 П р и о р и те т
Опубликовано 30.03.76. Бюллетень № 32
Государственный комитет
Совета Министров СССР по делам изобре-,гний и открытий (53) УДК 620.1,05:
:534.612.2 (088.0) Дaта опуолпков Г. В. Кенигсбергер и Г. H. Кузнецов (; 1) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КАВИТАЦИОННОЙ ПРОЧНОСТИ ЖИДКОСТЕЙ Изобретение относится к области гидроакустики и ультразвуковой техники и может быть применено в системах регулирования выходной мощности ультразвуковых генераторов, возоуждающих гидроакустические излучатели, и в устройствах для исследования физических свойств жидкостей. Известны устройства для определения кавитационHGH прочности жидкостей, включающие акустический излучатель, генератор, прием- Ip ник, усилитель и индикатор, основакные на регистрации порогового значения и нтенсивности кавитационных шумов (1), регистрации порового значения модуляционной составляющей кавитационного сигнала (2), регистрации 15 искажений осциллограммы при различных акустических давлениях (3). Недостатком известных устройств является затруднительность установления единых критериев (порогов измеряемой величины) для 20 определения кавитационной,прочности жидкости в различных условиях. Наиболее близким по технической сущности ,к предлагаемому устройству является устройство для определения кавитационной прочно- 25 сти жидкостей, включающее акустический излучатель с возбуждающим ультразвуковым генератором, приемник акустического давления, усилители и блок регистрации (1). Устройство определяет порог возникновения ка- _#_ витации на основе регистрации порогового значения коэффициента нелинейных искажений кавптационного сигнала. Недостатками известного устройства являются малая точность определения момента возникновения кавитацпи и невозможность определения типа акустической кавитации. Это происходит потому, что оценка коэффициента нелинейных искажений является нсобходимым критерием при определении момента возникновения кавитации, но,не является достаточно точным, поскольку при возникновении кавитации коэффициент нелинейных искажений может не достигнуть заранее установленного порога по причине высокой кавитационной прочности жидкости и, в силу этого, — малого отношения уровней кавитационного сигнала и основного тона, и,,наоборот, в отсутствие кавитации коэффициент нелинейны.; искажений может превысить установленный порог из-за большого воздухосодержания жидкости, когда имеющиеся пузырьки уже при малых уровнях основного тона будут возбуждаться на его гармониках. Поэтому при определении кавитационной прочности жидкостей в различных условиях необходимо уcтанавливать различные пороговые значения коэффициента нелипейных искажений. Целью изобретения является повышение точности определения момента возникновениг и 526819 типа акустической кавптации за счет уcTBHoBления единого критерия определения кавитационнои прочности для различных условии. 11оставленная цель достигается за счет того, что устроиство снабжено вторым приемником акустического давления, располо>кенным в ближней зоне излучателя на расстоянии не менее длины волны от первого приемника, дву мя усилителями — фазовращателями, подключенными к выходам приемников, регулятором фазы, подключенным к выходам приемников, регулятором фазы, подключенным к выходам усилителей — фазовращателей и ко входу второго приемника, схемой вычитания, подключенной к выходам усилителеи— фазовращателей,,нормирующим усилителям разностного сипнала,,подключенным к вылоду схемы вычитания, и параллельно включенной цепью, состоящей из последовательно соеди ненных блока полосовых фильтров гармо- 20 ник основного тона с пороговой схемой газовой кавитации и блока режекторных фильтров гармоник основного то на с пороговои схемой паровой кавитации, причем вход этой цепи подключен к выходу нормирующего усилителя 25 разностного сигнала, а выход — ко входам ультразвукового генератора и блока регистрации. На чертеже представлена бло к-схема предлагаемого устройства. 30 Устройство содержит ультразвуковой генератор 1 с манипулятором, воспринимающим команды регулирования, акустический излучатель 2, приемники акустического давления 3 и 4, усилители-фазовращатели 5 и 6, регуля- 55 тор фазы 7, схему вычитания 8, нормирующий усилитель разностного сигнала 9 с автоматической регулировкой усиления, блок полосовых фильтров гармоник основного тона 10, блок режекторных фильтров гармони к основ- 40 ного тона 11, пороговую схему газовой кавитации 12, пороговую схему паровой кавитации 13 и блок регистрации 14 величины порогового давления. Устройство работает следующим образом. 45 Нарастающее во времени по задаиному закону синусоидальное напряжение ультразвукового генератора 1 возбуждает акустический излучатель 2, выполненный в виде фокусирующего концентратора звукового давления. При- 50 емники акустического давления 3 и 4 преобразуют акустический сигнал в напряжение; их выходы подключены к усилителям — фазовращателям 5 и 6 с блоком фазовой автоподстройки, поддерживающим разность фаз на- 55 пряжений на выходах усилителей фазовращателей при ее монотонном (медленном, не связанном с кавитационными явлениями) изменении равной 180 . Выходы усилителей — фазовращателей 5 и 6 подключены к схеме 8 вы- 60 чита|пня, построенной так, что сдвинутые iHB 180 сигналы вычитаются;,в отсутствие кавитации на выходе схемы 8 вычитания будет разностный сигнал, монотонно возрастающий пропорционально "челичению напряжения 65 улы раза кового генера гора 1. В состав разностного сигнала, вследствие некоторого неравенства амплитуд и неточности установки разности фаз, равной 180 на основной частоте, а также нелинейных искажений в спгна.IL генератора 1, входят удвоенные значения четких гармонпче KHx составляющих излучаемого сигнала, а также минимизированные, но не полностью скомпепсированные сигналы основной частоты генератора и ее нечетных гармоник. Монотонно нарастающий разностный сигнал с выхода схемы 8 вычитания поступает на вход нормирующего усилителя 9 с гвтома ической регулировкой усиления, постоянная времени которого такова, что медле Hî- нарастание разностного сигнала на входе усилителя 9 не изменяет величину его выходного cIIHHaла (сглаживается, но не усиливается). Величина разностного сигнала на выходе нормирующего усилителя 9 в отсутствие кавитацпи остается постоянной. С выхода усилителя 9 сглаженный по амплитуде сигнал разности поступает одновременно на блок !О полосовых фильтров, настроенных,на частоты гармонических составляющих излучаемого сигнала с пороговой схемой 12, и блок 11 режекторных фильтров, устраняющих сигналы на основной частоте и ее гармониках, с пороговой схемой 13. Сигнал разности проходит на выходы блоков фильтров 10 и 11, Ho Iloскольку его величина в отсутствие кавитации в силу сглаживающего действия усилителя 9 не превышает уровня срабатывания пороговых схем 12 и 13, то сигнал, снимаемый с приемника 3, не регистрируется блоком регистрации 14. При достижении акустическим давлением критического значения в случайные моменты времени в случайных точках пространства образуются нелинейно пульсирующие полости, преобразующие энергию возбуждающего сигнала на основной частоте, в зависимости от типа кавитации, в энергию гармонических составляющих или в случайные импульсы давления. Характерной чертой началь ных ста.дий как газовой, так и паровой кавитации, является нестационарность процесса во времени и в пространстве. При этом на выходе схемы 8 вычитания вырабатывается нестационарный разностный сигнал, спектр которого зависит от типа и стадии развития кавитации. В момент возникновения газовой кавитации нелинейные искажения сигнала существенно увеличиваются из-за формирования пузырьков с размером, близким к резонансному, по причине коагуляции и их эвакуации из зоны максимального разряжения, и на форне монотонно увеличивающегося разностного .сигнала на выходе схемы вычитания 8 появляются кратковременные и более интенсивные выбросы, которые полностью усиливаются усилителем 9 (но не сглаживаются в силу их кратковременности по GpBIBHeHHIo с постоянной времени автоматической регулировки усиления) и поступают на 526819 входы блоков 10 и 11. Да нный тип нестационарности кывигационного сигнала проявляется преимущественно в увеличении составляющих гармонического ряда, которые выделяются блоком 10 полозовых фильтров гармоник основной частоты и регистрируются пороговой схемой 12. Г1ри этом вырабатывается кома нда регистрации лорога возникновения газовой кавитацип и приостановки нарастания или выключения (если это необходимо) напряжения на излучателе 2. При существенном развитии газовой кавитации процесс шумоизлучения кавитационной областью становится стационарным и при дальнейшем увеличении напряжения на излучателе 2 вели гила .монотонно нарастающего разностного сигнала сглаживается нормирующим усилителем 9 до уровня, блиэкого по значению к уровню,в докавитационном режиме. При возникновении паровой кавитации, характеризуемой в началыных стадиях образованием сравнительно редких, случайно возникающих мощных импульсов давления длительностью .порядка периода основной частоты в линейный спектр разностного сигнала доба вляется сплошная компонента. Нестацио нарныс шумы, паровой,кавитации выделяются нормирующим усилителем 9 на фоне стационарных шумов развитой газовой кавитации и постулают на вход блока 11 фильтров, выделяющих сплошную компоненту на фоне линейчатого спектра разностного сигнала. При превышении сигналом на выходе блока 11 пороговой величины срабатывает пороговая схема 13 и подается команда регистрации порога возникновения .паровой кавитации на блок регистрации 14 и на исполнительное устройство генератора 1, с помощью которого либо предотвращается дальнейшее нарастание напряжения на излучателе 2, либо генерато р 1 отключается. Пороговая схема 13 срабатывает и,производит регистрацию возникновения паровой кавитации и в тех случаях, когда газовая кавитация отсутствует, а сразу возникает паровая кавитация. В этом случае, признаком возникновения,паровой кавитации служит срабатывание пороговой схемы 13, в то время как лри одновремснном существовании развитой газовой и паровой кавитации формируются сигналы как после фильтров 10, так и после фильтров 11. Формула изобретения Устройство для определения кавитацпонной прочности жидкостей, включающее акустический излучатель с возбуждающим ультразвуковым генератором, приемник акустического давления, усилители и блок регистрации, от;I и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности определения момента возникновения и типа акустической кавитации, оно снабжено вторым приемником акустического давления, распо. Ioÿåíным в ближней зоне излучателя на расстоянии не менее длины волны от первого приемника, двумя усилителя ми — фазовращателями, подключенными к выходам приемников, регулятором фазы, подключенным к выходам усилителей- — фазовращателей и Ко входу второго приемника, схемой вычитания, 25 подключенной к выходам усили1елей — фазовращателей, нормирующим усилителям разностного сигнала, подключенным к выходу схемы вычитания, и параллельно включенной цепью, состоящей из последовательно соеди30 ненных блока по lосовых фильтров гармоник о позного гоны с пороговой схемой газовой кавит",öèè и блока режекторных фильтров гармоник основного тона с пороговой схемой паровой кавитацип, причем вход этой цепи 35 подключен к выходу нормирующего усилителя разностного сигнала, а выход — ко входам ультразвукового генератора и блока регистрации. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе: 1. Патент США М 3757288, 340 — 5, 04.09.73. 2. Труды Акустичсского института, М., Вы45 пуск Ч1, 04.09.73. 3. Акустический журнал, М., том IX, вып. 2, 1963, стр. 158 4. Авт. св. № 186215, В 06В 1/06, 12.09.66. Редактор Е. Шепелева Составитель E. Литвинов Техред В. Рыбакова Корректор Л. Котова Заказ 1953/12 Изд. л/з 1578 Тираж 1029 Подписное ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 Типография, пр. Сапунова, 2
