Высокоинтенсивный звуковой генератор
HIGH-INTENSITY AUDIO GENERATOR

Изобретение относится к области средств создания звуковых колебаний в текучих средах, и может быть использовано в различных областях жизнедеятельности человека.
Известны (RU, патент 2228217, опубл. 10.05.2004) способ акустической обработки жидких сред и реактор для его осуществления, при котором жидкость с заданной скоростью пропускают сквозь акустический реактор, где в жидкости рассеивают акустическую мощность с заданным средним значением объемной плотности, которая вызывает возникновение в ней кавитации в виде, как минимум, одной стационарной кавитационной области, при этом объемную плотность потенциальной энергии возникающей кавитации распределяют по объему реактора со среднеквадратичным отклонением от среднего значения, не большим, чем 0,862 этого среднего значения.
Основным недостатком известного технического решения следует признать его применимость только для жидких сред.
Известен (RU, патент 2593139 опубл. 27.07.2016) способ увеличения мощности динамических сирен, характеризующийся тем, что ротор сирены изготавливается в виде полого цилиндра, между стенками которого размещены лопатки, передние кромки которых ориентированы по направлению вращения ротора; сходящиеся периферийные поверхности лопаток, основания и стенки ротора образуют межлопаточное пространство и окна ротора; поток рабочего тела, поступающий от внешнего вентилятора (насоса) или внутреннего центробежного колеса, направлен навстречу вращению ротора и попадает в межлопаточное пространство с суммой векторов скорости потока и средней касательной скорости вращения окон ротора.
Недостатком известного технического решения следует признать наличие вращающегося ротора с лопатками, которые при вращении создают большое сопротивление и мешают потоку от внешнего вентилятора попасть внутрь ротора. Для преодоления этого сопротивления необходимо использовать вентилятор большой мощности.
Известен (RU, патент 2562872, опубл. 10.09.2015) генератор волны сжатия среды, содержащий подвижный поршень, имеющий первую поверхность и вторую поверхность, и продольную ось между первой поверхностью и второй поверхностью, причем поршень содержит направляющую, проходящую вдоль продольной оси поршня от первой поверхности, по меньшей мере, частично ко второй поверхности, кожух, имеющий внутренний канал, первый конец и второй конец, причем поршень, по меньшей мере, частично расположен внутри внутреннего канала кожуха, при этом поршень выполнен с возможностью перемещения внутри внутреннего канала кожуха от первого конца ко второму концу, в направлении, параллельном продольной оси поршня, тягу управления, проходящую продольно от первого конца до второго конца, причем второй конец тяги управления выполнен так, что он может быть вставлен в направляющую и может перемещаться в направляющей, держатель, приспособленный для удержания второго конца тяги управления в направляющей для предотвращения перемещения второго конца тяги управления из направляющей во время перемещения поршня внутри внутреннего канала, преобразователь, со скольжением, установленный во втором конце кожуха, причем преобразователь выполнен с возможностью соединения со средой и приспособлен для преобразования части кинетической энергии поршня в волну сжатия в среде, при соударении поршня с преобразователем, и генератор движущей силы, позволяющий прикладывать движущую силу к подвижному поршню для его запуска и ускорять подвижный поршень к преобразователю, причем, при соударении поршня и преобразователя, второй конец тяги управления перемещается в направляющей ко второй поверхности поршня.
Недостатком известного средства следует признать наличие движущегося поршня, а значит необходимо наличие соответствующей системы смазки между ним и цилиндром, в котором он движется.
Известна (RU, патент 2284229, опубл. 27.09.2006) гидроакустическая сирена, содержащая коаксиально установленные цилиндрический статор в виде концентрического акустического резонатора, полый ротор, в смежных поверхностях, которых выполнены равномерно расположенные по окружности сквозные отверстия, привод для равномерного вращения ротора, средство для подачи жидкой или газообразной смеси в ротор и выходной патрубок для вывода продукта. Ротор сирены выполнен с числом отверстий, отличным на единицу от числа отверстий статора, для реализации бегущей резонансной волны колебаний в резонаторе - прямой относительно направления вращения ротора в случае на единицу больше и обратной в случае на единицу меньше, а выходной патрубок расположен по касательной к наружной поверхности статора в направлении бегущей волны, при этом параметры устройства определены расчетным путем.
Недостатком известно устройства можно признать то, что число отверстий ротора и статора отличается не больше, чем не единицу и оно предназначено, в основном, для производства тонкодисперсных эмульсий с одновременным перемешиванием продукта и не предназначено для создания высокоинтенсивных звуковых колебаний.
Техническая задача, решаемая использованием разработанного генератора, состоит в создании класса звуковых генераторов, способных генерировать звуковые колебания высокой интенсивности с уровнем звукового давления выше 170-190 дБ.
Технический результат, достигаемый при реализации разработанного устройства, состоит в увеличении амплитуды пульсации давления.
Для достижения указанного технического результата предложено использовать высокоинтенсивный звуковой генератор разработанной конструкции. Генератор содержит первое тело, выполненное с, по меньшей мере, одним каналом сечения переменной площади, уменьшающейся по ходу движения потока газа или смеси газов и/или вещества в газообразном состоянии, причем канал предназначен для прохода указанного потока, второе тело, установленное по ходу потока после первого тела и содержащее, по меньшей мере, один канал, предназначенный для прохода указанного потока, поступившего из первого тела, третье тело, установленное по ходу потока после второго тела и выполненное с возможностью вращения относительно второго тела.
Первое тело служит для разгона указанного потока от некоторой начальной скорости, до скорости, требуемой в конкретной конструкции генератора. Для получения звука максимальной громкости и интенсивности указанный поток нужно разогнать до скорости, близкой к скорости звука или выше скорости звука.
Второе тело служит для удержания движения указанного потока в канале или в каналах второго тела.
Третье тело вращается относительно второго и периодически прерывает истечение указанного потока из канала или из каналов второго тела.
В некоторых вариантах реализации генератор может дополнительно содержать четвертое тело, выполненное с возможностью вращения и установленное между первым и вторым телом, причем четвертое тело установлено с зазором относительно первого и/или второго тел.
Четвертое тело служит для отражения в сторону выхода из канала второго тела и из устройства волны сжатия, образующейся в канале второго тела в момент полного закрытия канала второго тела третьим телом при движении указанного потока на скорости выше 100-200 м/с. После закрытия третьим телом выхода из канала второго тела, внутри канала перед выходом из канала второго тела образуется волна сжатия, которая начинает двигаться в сторону входа в канал. Четвертое тело встречает движущуюся волну сжатия и отражает ее в обратную сторону, в сторону выхода из канала второго тела и из устройства.
В некоторых вариантах реализации перед первым телом может находиться побуждающий поток газа или смеси газов и/или вещества в газообразном состоянии элемент, например, воздуходувка или вентилятор.
Генератор может быть выполнен с возможностью использовать в качестве смеси газов воздух, а в качестве вещества в газообразном состоянии использовать пар.
Первое тело может представлять собой трубу или обечайку, внутри которой, предпочтительно соосно с ней, установлен конусообразный элемент с образованием указанного канала сечения переменной площади, уменьшающейся по ходу движения указанного потока, причем в некоторых вариантах реализации разработанного устройства образующая конусообразного элемента может представлять собой отрезок кривой линии.
Предпочтительным вариантом реализации первого тела является сужающееся по ходу движения потока кольцо. Такое сужающееся кольцо может быть образовано трубой и установленным внутри трубы соосно с ней конусообразным элементом. Предпочтительным конусообразным элементом является выполненный вращением вокруг воображаемой оси отрезок кривой линии, причем ось вращения проходит через один из концов отрезка, а основание конусообразного элемента обращено в сторону второго тела. Наиболее близкой фигурой, иллюстрирующей такой конусообразный элемент, является кок (обтекатель) воздушного винта, имеющий сложную коническую форму. Такая труба может соединяться с конусообразным элементом перегородками, удерживающими указанный элемент, образуя несколько каналов внутри первого тела. Указанный поток протекает между трубой и конусообразным элементом и, по мере расширения конусообразного элемента и, соответственно, сужения сечения между трубой и конусообразным элементом, ускоряется в строгом соответствии с уравнением неразрывности потока.
Вместо трубы в первом элементе может быть использована обечайка, например, конической формы. Взаимное расположение обечайки и внутреннего конического элемента следует осуществлять таким образом, чтобы сечение между ними уменьшалось по ходу движения указанного потока.
Внутри этого конусообразного элемента может располагаться побуждающий элемент для вращения второго или второго и четвертого тела.
Первое тело может как непосредственно примыкать ко второму телу, так и быть соединенным с ним цилиндрической, кольцевой или любой другой вставкой.
Как отмечено ранее, в некоторых вариантах реализации между первым и вторым телом располагается четвертое тело.
В некоторых вариантах реализации второе тело выполнено в форме цилиндра, в котором по направлению от первого тела к третьему телу выполнены сквозные каналы, обеспечивающие прохождения указанного потока от первого тела к третьему телу, причем входы и/или выходы каналов расположены, по меньшей мере, по одной окружности. Расположение каналов второго тела по окружности позволяет согласовать открытие и закрытие каналов второго тела с вращением третьего тела.
В случае выполнения второго тела в виде цилиндра с каналами, расположенными по, меньшей мере, одной окружности, третье тело может быть выполнено в виде цилиндра или конусообразного элемента с расположенными по краям цилиндра или конусообразного элемента лопатками, прерывающими во время вращения третьего тела выход из канала или каналов второго тела потока газа или смеси газов и/или вещества в газообразном состоянии. При этом конусообразный элемент третьего тела может быть выполнен в виде кока (обтекателя), обращенного своим основанием ко второму телу.
Третье тело также может быть выполнено в виде диска с отверстиями для прохода указанного потока, поступающего из второго тела.
Количество каналов во втором теле и количество отверстий в третьем теле, в случае выполнения третьего тела в виде диска, может быть произвольным и определяться для построения той или иной модели генератора с заданными характеристиками.
Так, в одном из вариантов реализации, количество каналов во втором теле может быть равно 40, а количество отверстий в диске третьего тела может быть равно 20. В другом варианте реализации количество каналов во втором теле может быть равно 120, а количество отверстий в диске третьего тела равно 4.
Предпочтительно, по меньшей мере, два из трех указанных тел расположены соосно.
В одном из предпочтительных вариантов реализации все три указанных тела являются телами вращения и расположены соосно. В этом случае реализуется прямоточная схема генератора звуковых колебаний. Из воздуходувки с круглым сечением выпускного отверстия или с любым другим сечением выходного канала, переходящим в круглое сечение, поток газа или смеси газов и/или вещества в газообразном состоянии попадает в первый элемент, представляющий собой круглую трубу с конусообразным элементом внутри, разгоняется, попадает в каналы второго тела, представляющим собой цилиндр, проходит через каналы и либо прерывает свое течение из-за вращения лопаток третьего тела или проходит в отверстия между лопатками третьего тела.
Возможна реализация, когда поток или смеси газов и/или вещества в газообразном состоянии подается в первый элемент сбоку. Тогда соосность целесообразна у второго и третьего тела.
Возможна реализация, при которой второе тело не является телом вращения.
В некоторых вариантах реализации четвертое тело может быть выполнено в виде цилиндра с расположенными по краям цилиндра лопатками, отражающими во время вращения четвертого тела волну сжатия в сторону выхода из канала второго тела.
Четвертое тело также может быть выполнено в виде диска с отверстиями для прохода указанного потока, поступающего из первого тела во второе тело.
В некоторых вариантах реализации устройства, в частности, при выполнении второго тела в виде цилиндра, сечение выхода из канала второго тела представляет собой сектор кольца, причем указанный сектор кольца может быть выполнен с закругленными углами. Закругленные углы сектора кольца могут образовываться в случае упрощения изготовления каналов второго тела сверлением и/или фрезерованием в результате фрезеровки канала круглыми фрезами.
Использование в качестве сечения выхода из канала второго тела сектора кольца обусловлено тем, что лучший результат достигается при одновременном открытии канала второго тела вдоль всего радиуса основания цилиндра при вращении третьего тела. За каждую единицу времени будет вновь открываться равная площадь сектора кольца. При использовании круга в качестве сечения выхода из канала второго тела, открытие такого канала будет неравномерным, несмотря на то, что канал во втором теле с сечением в виде круга технологически проще изготовить путем обычного сверления.
Для создания повышенного давления исходного потока генератор может дополнительно содержать побуждающий поток газа или смеси газов и/или вещества в газообразном состоянии элемент, установленный предпочтительно, но не обязательно, перед входом в канал первого тела.
В некоторых вариантах реализации третье тело может быть установлено с возможностью затормаживания и/или остановки указанного потока в канале второго тела и/или на выходе из канала второго тела. В зависимости от соотношения числа каналов во втором теле и числа отверстий в третьем теле, в случае выполнения третьего тела в виде, например, диска с отверстиями, а также от скорости вращения третьего тела, указанный поток, протекающий через канал второго тела, может быть как заторможен до какой-то скорости, так и полностью остановлен. Соотношение числа каналов во втором теле и отверстий в третьем теле, в случае выполнения его в виде диска с отверстиями, а также скорость вращения третьего тела подбираются исходя из желаемых характеристик звукового генератора.
Вышеприведенный вариант генератора также выполнен с возможностью использовать в качестве смеси газов воздух, а в качестве вещества в газообразном состоянии использовать пар.
На чертеже приведено схематичное изображение разработанной конструкции, при этом использованы следующие обозначение: первое тело 1, канал 2 в первом теле 1, второе тело 3, канал 4 во втором теле 3, третье тело 5. Кроме того, на чертеже приведен раструб, не входящий в заявленную конструкцию, поскольку его использование практически не влияет на достижение указанного технического результата.
Высокоинтенсивный звуковой генератор разработанной конструкции по первому варианту выполнения работает следующим образом.
В тело 1 поступает поток газа или смеси газов и/или вещества в газообразном состоянии с некоторой начальной скоростью и некоторым избыточным давлением, превышающим, например, атмосферное. В канале 2 тела 1 указанный поток разгоняется, предпочтительно до околозвуковой скорости. Это происходит за счет того, что канал 2 тела 1 сужается по ходу движения потока. Это приводит к росту скорости потока и падению статического давления.
Разогнавшись в канале 2, указанный поток попадает во второе тело 3, в канале 4 которого, в зависимости от конфигурации второго тела 3 и параметров указанного потока может еще больше разогнаться. Это происходит из-за того, что такое течение указанного потока аналогично истечению потока газа из суживающегося сопла бесконечного резервуара с повышенным давлением в атмосферу. В случае такого истечения скорость потока газа, вытекающего в атмосферу, не зависит от формы сопла, площади сопла, а зависит, преимущественно, от давления внутри резервуара и начальной скорости истечения газа. При этом максимальная скорость истечения достигается при почти двукратном превышении давления внутри резервуара над давлением снаружи резервуара, в данном случае, атмосферным давлением. Скорость истечения мало зависит от начальной скорости потока газа, если начальная скорость потока газа существенно меньше скорости звука. Второе тело 3 в данном случае выступает как статор, в наиболее предпочтительном варианте реализации, статор с расположенными по окружности каналами с сечением, напоминающем сектор кольца. Третье тело 5 в данном случае является ротором, поскольку вращается относительно второго тела. В наиболее предпочтительном варианте реализации статор и ротор соосны. Ротор вращается, поочередно закрывая выход потока из каналов второго тела. Перед самым закрытием канала скорость потока возрастает до максимума и в момент закрытия канала в канале образуется волна сжатия, которая начинает двигаться в сторону входа в канал второго тела. Поток, разогнанный до сверхзвуковой скорости, выходит из щели канала 4 и почти сразу тормозится, поскольку расширяется. В момент торможения и перехода скорости потока со сверхзвуковой на дозвуковую, в потоке скачкообразно растет давление и образуется ударная волна, распространяющаяся в сторону дальше по потоку, к выходу из устройства. Перепад давления при некоторых режимах истечения может достигать 100 кПа и выше. При этом образуется звуковая волна с высокой интенсивностью звука с уровнем звукового давления выше 170-190 дБ.
Работа устройства основана на том факте, что поток газообразного вещества (или пара) на большой скорости уже нельзя считать несжимаемым.
В почти закрытом выходе канала указанный поток разгоняется максимально, выходит наружу за статор, расширяется и из-за этого его скорость уменьшается, а при уменьшении скорости потока со сверхзвуковой до дозвуковой образуется ударная волна, физические параметры потока газа меняются скачком, в том числе и давление.
Управляя давлением набегающего потока, например, уменьшая его, можно получить менее сильную пульсацию давления, т.к. истечение из выхода канала может уже не быть сверхзвуковым, а будет дозвуковым и тогда звуковое колебание образуется от простого перепада давления при торможении потока, которое все равно происходит.
Использование разработанного высокоинтенсивного звукового генератора звуковых колебаний позволяет при исходно избыточном давлении не более 30 кПа получать на выходе генератора сверхзвуковое истечение потока.
Также для достижения указанного технического результата по второму варианту выполнения может быть использован высокоинтенсивный звуковой генератор, который содержит первое тело, выполненное с, по меньшей мере, одним каналом сечения переменной площади, уменьшающейся по ходу движения потока газа или смеси газов и/или вещества в газообразном состоянии, причем канал предназначен для прохода указанного потока, второе тело, установленное по ходу потока после первого тела и содержащее, по меньшей мере, один канал, предназначенный для прохода указанного потока, поступившего из первого тела и выполненное с возможностью вращения относительно первого тела.
Отличие генератора по второму варианту выполнения от генератора по первому варианту выполнения состоит в совмещении в одном теле функций разгона и стабилизации указанного потока. Во втором варианте выполнения поток и разгоняется и стабилизируется в одном только первом теле. Соответственно, в этом же состоит и преимущество, и недостаток второго варианта выполнения генератора. Преимущество состоит в упрощении конструкции, т.к. разгонный блок, в котором в первом варианте выполнения происходил разгон потока и состоящий, предпочтительно, из трубы и конусообразного элемента, отсутствует. Но в этом же состоит и недостаток, т.к. поток газа или смеси газов и/или вещества в газообразном состоянии может не разогнаться до желаемой скорости истечения в одном только первом теле во втором варианте выполнения генератора. Во втором варианте выполнения генератора необходимо большее давление в потоке газа или смеси газов и/или вещества в газообразном состоянии для разгона указанного потока до желаемой скорости истечения, чем в первом варианте.
Его первое тело может быть выполнено в форме цилиндра, в котором по направлению движения потока выполнены сквозные каналы, обеспечивающие прохождения потока, причем входы и/или выходы каналов расположены, по меньшей мере, по одной окружности.
Предпочтительно тела расположены соосно.
Сечение выхода из канала первого тела может представлять собой сектор кольца, предпочтительно указанный сектор кольца выполнен с закругленными углами.
Генератор может дополнительно содержать побуждающий поток газа или смеси газов и/или вещества в газообразном состоянии элемент, установленный перед входом в канал первого тела.
По второму варианту выполнения (с двумя телами) генератор работает следующим образом.
В первое тело поступает поток газа или смеси газов и/или вещества в газообразном состоянии с некоторой начальной скоростью и некоторым избыточным давлением, превышающим, например, атмосферное, и за счет сужения канала или каналов указанный поток разгоняется предпочтительно до околозвуковой скорости в полном соответствии с уравнением неразрывности потока. Первое тело в данном случае выступает как статор, в наиболее предпочтительном варианте реализации, статор с расположенными по окружности каналами с сечением, напоминающем сектор кольца. Второе тело в данном случае является ротором, поскольку вращается относительно первого тела. В наиболее предпочтительном варианте реализации статор и ротор соосны. Ротор вращается, поочередно закрывая выход указанного потока из каналов первого тела. Перед самым закрытием канала скорость указанного потока возрастает до максимума и в момент закрытия канала в канале образуется волна сжатия, которая начинает двигаться в сторону входа в канал первого тела. Указанный поток, разогнанный до сверхзвуковой скорости, выходит из щели канала и почти сразу тормозится, поскольку расширяется. В момент торможения и перехода скорости потока со сверхзвуковой на дозвуковую, в потоке скачкообразно растет давление и образуется ударная волна, распространяющаяся в сторону дальше по потоку, к выходу из устройства. Перепад давления при некоторых режимах истечения может достигать 100 кПа и выше. При этом образуется звуковая волна с высокой интенсивностью звука с уровнем звукового давления выше 170-190 дБ.
Управляя давлением набегающего потока, например, уменьшая его, можно получить менее сильную пульсацию давления, т.к. истечение из выхода канала может уже не быть сверхзвуковым, а будет дозвуковым и тогда звуковое колебание образуется от простого перепада давления при торможении потока, которое все равно происходит.
Использование разработанного высокоинтенсивного звукового генератора позволяет при исходно избыточном давлении не более 30 кПа получать на выходе генератора сверхзвуковое истечение потока.
Разработанное устройство может быть использовано в различных областях - как нелетальное оружие, системы оповещения населения при чрезвычайных ситуациях, сушки материалов и т.д.