СИРЕНА
ALERTER

Изобретение относится к акустическим излучателям, действие которых основано на периодическом прерывании потока газа или жидкости. По принципу работы сирены делятся на динамические (вращающиеся) и пульсирующие. Наибольшее распространение получили динамические сирены, которые подразделяются на осевые и радиальные. В первом случае воздушный поток совпадает с осью вращения, во втором - направлен по радиусу перпендикулярно оси. Во всех динамических сиренах диск с отверстиями (ротор) вращается относительно неподвижного диска (статора), снабженного таким же числом отверстий. В радиальных сиренах ротор и статор представляют собой две коаксиальные поверхности, обычно цилиндрические. Ротор вращается электродвигателем или газовой турбинкой. Под давлением через отверстия в роторе и статоре поступает воздух, периодически прерываясь. Частота пульсаций воздуха v определяется числом отверстий в роторе или статоре n и частотой вращения ротора f:
v=fn.
Частотный диапазон сирен, применяемых на практике, от 200-300 Гц до 80-100 кГц, но известны сирены, работающие на частотах до 600 кГц. Мощность сирен может достигать десятков кВт.
Динамические сирены применяются для сигнализации (тревожной, оповестительной) и для различных технологических целей (для коагуляции мелкодисперсных аэрозолей, для разрушения пены, осаждения туманов, ускорения процессов тепло и массообмена, создания дисперсных систем и других процессов) /Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике, пер. с нем., 2 изд., М., 1957; Кроуфорд А.Э. Ультразвуковая техника, пер. с англ., М., 1958; Карновский М.И. Теория и расчет сирен. ЖТФ, 1945, №6, с.348-364; Веллер В.А., Степанов Б.И. Ультразвуковые сирены с приводом от электродвигателя, «Акустический журнал», 1963, т.9, №3/.
Широкое распространение для целей сигнализации получили отечественные радиальные электросирены типа С-28 и С-40, а также аналогичные им по конструкции судовые сирены. Они представляют собой цилиндрические коаксиальные статор и ротор с окнами. При своем вращении ротор увлекает находящийся в нем воздух, который под действием центробежной силы порциями выбрасывается из полости сирены при совпадении окон статора и ротора, создавая периодические возмущения в окружающей среде. Привод ротора осуществляется от электродвигателя. Частота излучаемого звука v=fn, где f - частота вращения ротора, n - число окон. Сирены просты по конструкции и в эксплуатации и не требуют источника пневмопитания.
В качестве прототипа принята наиболее мощная и распространенная отечественная электросирена С-40, состоящая из коаксиально установленных цилиндрических неподвижного статора и вращающегося внутри него полого ротора со строго одинаковым числом равномерно расположенных по окружности окон. Ротор вращается электродвигателем и снабжен крыльчаткой для центробежного нагнетания рабочей среды /Гладышев В.Н. Динамическая сирена. Теория, эксперимент, приложения. Новосибирск, 2000/.
Недостатком сирены, взятой за прототип, является однотональность, что снижает ее функциональность как сигнализатора. Сигнал имеет низкую мощность и малый радиус действия, не превышающий 300-400 метров.
Задача настоящего изобретения - создание сирены, обеспечивающей генерирование одновременно двух тональных звуковых сигналов, составляющих консонантные интервалы. Сопутствующим эффектом является направленное увеличение акустической мощности устройства с одновременным повышением его эффективности при сохранении технологической простоты, экономичности и надежности как конструкции, так и эксплуатации.
Консонанс, наиболее благоприятное для восприятия человеком двух и более звуков, обеспечивается строго определенными соотношениями их частот. Пропорция 2:1 дает самый «совершенный» консонанс - октаву (звук, извлеченный из поделенной пополам струны, находится на октаву выше звука, извлеченного из открытой струны). Пропорция 3:2, то есть деление струны на три равные части, дает консонанс квинты; пропорции 4:3 и 5:4 и 6:5 дают, соответственно, консонантные интервалы кварты, мажорной терции и минорной терции. Только эти деления и их повторения дают консонансы, остальные интервалы, в той или иной степени диссонантные, воспроизводятся иными, более сложными делениями.
Как наиболее мощный источник звуковой энергии, функционирующий среди всего населения, сирена должна создавать благоприятное для психики человека воздействие. Это входит и в нормативные требования, принятые в основах правил подачи сигналов в чрезвычайных ситуациях /ГОСТ Р22.0.01-94. Безопасность в чрезвычайных ситуациях/.
Поставленная задача решается за счет введения в прототип модернизированного ротора. Ротор сирены выполнен из двух последовательных продольных участков (секций), каждый из которых снабжен числом окон, отличным на единицу от числа окон статора для реализации двух бегущих вращающихся волн акустических колебаний в окружном направлении - прямой, попутной направлению вращения ротора, высокого тона, - в случае на единицу больше и обратной, встречной вращению ротора, низкого тона, - в случае на единицу меньше и, подобно прототипу, также снабжен крыльчаткой для обеспечения центробежного нагнетания рабочей среды. Статор содержит нечетное число окон: 3, 5, 7, 9, 11 для получения соответствующего консонантного интервала: октавы, квинты, кварты, большой и малой терции.
Таким образом, сирена генерирует две встречные вращающиеся волны акустических колебаний, снимаемые с единого ротора, частоты которых образуют точный консонантный музыкальный интервал. Сопутствующим эффектом является технологическая простота, экономичность и надежность устройства.
Изложенная сущность поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена схема двухтональной сирены, генерирующей консонантные звуковые интервалы, на фиг.2 - схема возбуждения, на фиг.3 - схема воздействия потоков газа, истекающих из окон ротора, на окна статора, на фиг.4-8 - номограммы конструктивных парамеров сирены: частот генерируемых колебаний, частот вращения ротора и числа окон статора.
Двухтональная сирена консонантных интервалов (фиг.1) содержит коаксиально установленные полый цилиндрический статор 1 и вращающийся внутри него полый ротор 2. Ротор равномерно вращается электродвигателем 3. В смежных поверхностях статора и ротора выполнены равномерно расположенные по окружности сквозные отверстия - окна. Статор на всем продольном измерении однороден и имеет n окон 5. Ротор по длине состоит из двух последовательных участков (секций): высого тона 6 и низкого 7. Секция высокого тона 6 содержит n+1 окон, а низкого тона 7 - n-1 окон. Как и в прототипе, ротор 2 снабжен крыльчаткой для обеспечения центробежного нагнетания рабочей среды, которая поступает во внутреннюю часть 4 ротора, проходя через входной коллектор 8 с верхней защитной крышкой 9 и сеткой 10.
Работа устройства
р
При равномерном вращении ротора 2 с угловой скоростью ω, на поверхности которого располагается n+1 или n-1 равномерно отстоящих друг от друга окон, каждое из n окон на поверхности статора 1 поочередно испытывает пульсацию радиального потока воздуха (фиг.2). Направление пульсации в первом случае совпадает с направлением вращения ротора 2, во втором - противоположно. Иначе говоря, увеличение числа окон ротора 2 дает прямую или попутную волну пульсации, а уменьшение - обратную или встречную, по отношению к направлению вращению ротора. В результате с одного двухсекционного ротора 2 снимаются встречные вращающиеся в окружном направлении волны акустических колебаний. Самое главное, как будет показано ниже, при первых нечетных числах окон статора n=3, 5, 7, 9, 11 частоты этих колебаний образуют чистые консонантные музыкальные интервалы.
p
p
Пусть в начальный момент одно из окон ротора 2 и статора 1 совпадают (фиг.3). Импульс давления со стороны истекающего из окна ротора 2 воздуха передается в окно статора 1. При повороте ротора 2 на угол  (при прямой волне) или на  (при обратной) пульсация давления произойдет на соседнем окне статора 1 - по ходу вращения ротора 2 или против. При повороте ротора 2 на угол nδ=2π/(n+1) или на nδ=2π/(n-1) импульс давления ровно один раз обежит окружность в прямом или обратном направлении. Таким образом, угловая скорость вращения импульса давления составляет ω=(n+1)ω - в прямом и ω=(n-1)ω - в обратном направлении.
Окончательно частота вращения  ротора 2 (фиг.1, 2, 3) связана с частотой генерируемых акустических колебаний  и числом n окон статора 1 следующим образом:
f=ν/(n+1)
- для сирены на прямой бегущей волне и
f=ν/(n-1)
- для сирены на обратной бегущей волне.
Принцип генерирования сиреной консонантных тонов
Пусть ротор 2 вращается с произвольной частотой f. Его высокочастотная секция с n+1 окнами 6 генерирует тон частоты
h
ν=f(n+1).
Одновременно низкочастоная секция ротора с n-1 окнами 7 генерирует тон частоты
l
ν=f(n-1).
h
l
Тогда при любой частоте вращения f c единого ротора 2 снимается двухтональный сигнал, высоты тонов которого ν, ν относятся друг к другу как
h
l
ν/ν=(n+1)/(n-1).
Нетрудно убедиться, что для последовательности нечетных чисел n числа окон статора 1:
n=3, 5, 7, 9, 11
отношение генерируемых тонов сирены будет строго соответствовать консонантным интервалам:
октавы, квинты, кварты, большой и малой терции
соответственно (таблица).
Таблица
Консонантные музыкальные интервалы, генерируемые двухтональной сиреной
Название интервала
Отношение высот тонов, равное отношению чисел окон секций ротора (n+1)/(n-1)
Число n окон статора сирены
октава
2/1
3
квинта
3/2
5
кварта
4/3
7
большая терция
5/4
9
малая терция
6/5
11
l
l
h
h
Для проведения проектного анализа и расчета конструктивных параметров по вышеприведенным расчетным формулам построены таблица и номограммы двухтональной сирены консонантных интервалов (фиг.4-8). По ним наиболее легко подбирать ее основные конструктивные параметры: частоты генерируемых тональных колебаний, частоты вращения ротора и числа окон статора. Например, выбираем требуемый интервал основных тонов сирены. По таблице находим соответствующее число окон статора n. Обращаемся к отвечающей выбранному интервалу и числу окон статора номограмме сирены. На каждой из них содержится семейство двух прямых ν=ν(f) и ν=ν(f) тонов сирены как функции частоты вращения ротора f.
Из представленных таблицы и номограмм видно, что для используемых в практике оповещательных сигналов параметры сирены легко реализуются. Так, в качестве привода вполне возможно использование самых распространенных низкооборотных асинхронных электродвигателей.
Пример расчета параметров двухтональной сирены, генерирующей определенный консонантный интервал с заданными частотами колебаний
Пусть требуется генерировать интервал квинты с основным (низшим) тоном 400 Гц. По таблице определяем требуемое число окон статора: n=5. Низкочастотная секция ротора содержит n-1=4 окна, тогда как высокочастотная - n+1=6. По номограмме фиг.5 находим частоту вращения ротора: 100 об/с.
Для большой терции, например, по таблице определяем требуемое число окон статора: n=9. Низкочастотная секция ротора содержит n-1=8 окон, а высокочастотная - n+1=10. Для 400 Гц сигнала основного тона по номограмме фиг.7 находим частоту вращения ротора: 50 об/с.
Малая терция психологически звучит более тревожно, что может быть применено для соответствующих случаев. Для нее имеем: по таблице число окон статора: n=11. Низкочастотная секция ротора содержит n-1=10 окон, высокочастотная - n+1=12. Для 400 Гц сигнала основного тона по номограмме фиг.8 находим частоту вращения ротора: 40 об/с.
Итак, для любой частоты вращения двухсекционного ротора с n+1 и n-1 числами окон низшие нечетные числа n окон статора дают главные точные консонантные интервалы двухтонального сигнала сирены. Абсолютная высота тона легко регулируется оборотами ротора. Следовательно, с одного ротора эффективно снимаются встречные вращающиеся волны акустических колебаний, специфически различимые и образующие высококачественные консонантные музыкальные интервалы.
Литература
1. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике, пер. с нем., 2 изд., М., 1957.
2. Кроуфорд А.Э. Ультразвуковая техника, пер. с англ., М., 1958.
3. Карновский М.И. Теория и расчет сирен. ЖТФ, 1945, №6, с.348-364.
4. Веллер В.А., Степанов Б.И. Ультразвуковые сирены с приводом от электродвигателя, «Акустический журнал», 1963, т.9, №3.
5. Гладышев В.Н. Динамическая сирена. Теория, эксперимент, приложения. Новосибирск, 2000.
6. ГОСТ Р22.0.01-94. Безопасность в чрезвычайных ситуациях.