МУЛЬТИТОНАЛЬНАЯ ГАРМОНИЧЕСКАЯ СИРЕНА ВСТРЕЧНЫХ ВОЛН
MULTITONE HARMONIC HORN OF BACK WAVES

Изобретение относится к сиренам - наиболее мощным 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 осевых сиренах воздушный поток совпадает с осью вращения, в радиальных - направлен по радиусу перпендикулярно оси. Так, в осевых 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, также традиционно имеющие одинаковую перфорацию. Ротор вращается электродвигателем, газовой турбиной или вручную. 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:
ν=f n.
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.
В настоящее время динамические сирены применяются не только для сигнализации (тревожной, оповестительной и т.д.). По критерию функции оповещения недостатком традиционных сирен является однотональность, что снижает ее функциональность как сигнализатора, а также малый радиус действия сигнала, не превышающий 300-400 метров. Поэтому функции оповещения все больше захватывают электронные разновидности сирен. Главная черта сирен как акустических динамических модуляторов их наибольшая мощность из всех существующих акустических излучателей /Гладышев В.Н. Динамическая сирена. Теория, эксперимент, приложения. Новосибирск, 2000/. Отсюда их незаменимость для разнообразных крупнопроизводственных технологических целей: для коагуляции мелкодисперсных аэрозолей (сажи в процессе производства, дымов и пыли на шахтах и рудниках в момент отпалки), для разрушения пены, осаждения туманов (например, серной кислоты в химической промышленности), 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/.
Для технологических целей диспергирования и гомогенизирования жидких и газообразных дисперсных систем традиционные сирены с одинаковой перфорацией ротора и статора весьма неоптимальны. Они генерируют стоячие волны в окружном направлении, из которых наиболее мощная, основная - осесимметричная, на которую накладываются малые многоузловые стоячие волны. Такое распределение звукового излучения обеспечивает значительные напряжения сжатия, тогда как для целей перемешивания и деструкции жидких и газообразных сред оптимальна реализация в них сдвиговых напряжений.
Задача настоящего изобретения - создание сирены, обеспечивающей генерирование любого отрезка натурального звукоряда, создающей высокие сдвиговые напряжения в жидкой или газообразной среде, посредством встречных вращающихся волн, снимаемых с единого вращающегося вала ротора. Сопутствующим эффектом является технологическая простота, эффективность и надежность как конструкции сирены, так и ее эксплуатации.
Для создания высоких сдвиговых напряжений была предложена асимметричная сирена, генерирующая неосесимметричную вращающуюся волну, частота вращения которой многократно превышает частоту вращения ротора, а направление вращения ее может как совпадать, так и быть противоположным направлению вращения ротора, что дает возможность снимать с единого ротора встречные неосесимметричные вращающиеся волны /Свияженинов Е.Д. Гидроакустическая сирена. Патент на изобретение №2284229. Приоритет 28.04.04; Свияженинов Е.Д. Сирена встречных резонансных волн. Патент на изобретение №2344001. Приоритет 09.03.07/. В качестве прототипа принята асимметричная сирена встречных волн, генерирующая две встречные неосесимметричные волны, частоты вращения которых многократно превышают частоту вращения ротора и могут составлять все существующие музыкальные интервалы /Свияженинов Е.Д. Сирена. Решение о выдаче патента на изобретение по заявке №2007124206 от 28.08.08. Приоритет 27.06.07 - Прототип/.
Некоторые сведения из музыкальной гармонии.
Натуральный звукоряд, или натуральный строй (чистый, или гармонический строй) - это ряд расположенных в восходящем порядке звуковых тонов, соотношение частот колебаний которых составляет ряд натуральных чисел:
1:2:3:4:5:6:…
Гармонический строй определяет классические музыкальные интервалы, используемые в современной музыке /И.А.Алдошина, Р.Приттс. Музыкальная акустика. СПб: Изд-во Композитор, 2006 г., 720 с.; Rossing T.D. The Science of Sound. N.Y.: Addison Wesley PubL, 1982/. Все они полностью определяются соотношением частот образующих их звуков: октава (1:2), квинта (2:3), кварта (3:4), большая терция (4:5), малая терция (5:6), большой полный тон (8:9), малый полный тон (9:10), диатонический полутон (15:16) и т.д. В свою очередь, эти интервалы делятся на консонантные и диссонантные.
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 (табл.1), остальные интервалы, в той или иной степени диссонантные, воспроизводятся иными, более сложными делениями (табл.2).
Таблица 1
Консонантные музыкальные гармонические интервалы
Название интервала
Отношение высот тонов составляющих их звуков
Десятичное значение
октава
2/1
2.0000
квинта
3/2
1.5000
кварта
4/3
1.3333
большая терция
5/4
1.2500
малая терция
6/5
1.2000
Таблица 2
Диссонантные музыкальные гармонические интервалы
Название интервала
Отношение высот тонов составляющих их звуков
Десятичное значение
узкая малая терция
7/6
1.1667
широкая большая секунда
8/7
1.1429
большой полный тон
9/8
1.1250
малый полный тон
10/9
1.1111
диатонический полутон
16/15
1.0667
Из табл.1, 2 видно, что уменьшающиеся интервалы между высокими частотами составляющих их звуков (табл.2) звучат более диссонантно, чем большие интервалы между первыми частотами (табл.1).
Звуки натуральной гаммы, или так называемые гармонические звуки, идут в следующем порядке: от некоторого нижнего, или первого звука, второй отстоит на чистую октаву, третий от второго - на чистую квинту, четвертый от третьего - на чистую кварту, пятый - на большую терцию, шестой - на малую терцию, седьмой - на узкую малую терцию, восьмой - на широкую большую секунду; далее идут звуки, отстоящие друг от друга на секунду.
Эта натуральная гамма дает два коренных аккорда гармонии, а именно: консонирующее трезвучие (четвертый, пятый, шестой звуки) и септаккорд (четвертый, пятый, шестой и седьмой звуки).
Особенности прототипа.
Для технологической обработки жидких и газообразных сред оптимально создавать в них переменные сдвиговые напряжения. Кроме того, как наиболее мощный источник звуковой энергии, функционирующий в производственной среде, а также среди населения в целях оповещения, 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 решалась за счет введения 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. Для получения требуемого консонантного интервала: октавы, квинты, кварты, большой и малой терции статор должен содержать соответственно нечетное число окон: 3, 5, 7, 9, 11 /Свияженинов Е.Д. Сирена. Решение о выдаче патента на изобретение по заявке №2007124206 от 28.08.08. Приоритет 27.06.07/.
Таким образом, сирена-прототип генерирует две встречные вращающиеся волны акустических колебаний, снимаемые с единого ротора, частоты которых образуют точный консонантный музыкальный интервал и многократно превышают частоту вращения ротора. Задача настоящего изобретения - создание сирены, обеспечивающей генерирование не просто двухтонального консонантного сигнала, но любого отрезка натурального звукоряда, создающей высокие сдвиговые напряжения в жидкой или газообразной среде, посредством встречных вращающихся волн, снимаемых с единого вращающегося ротора. Сопутствующим эффектом является технологическая простота, экономичность и надежность устройства. Эта задача достигается следующим образом.
Сущность изобретения.
Мультитональная гармоническая сирена встречных волн (фиг.1-3, 4) содержит коаксиально установленные полый статор 1, вращающийся внутри него полый ротор 2, привод вращения ротора 3 и средство подачи рабочей среды в ротор 4. Ротор сирены состоит из произвольного числа L последовательных продольных участков-секций, выполненных с четным числом окон 2, 4, 6, …2L соответственно, а статор - из L-1 последовательных продольных участков-секций, выполненных с нечетным числом окон 3, 5, …2L-1 соответственно, причем середина каждого участка статора перекрывает границу участков ротора, для одновременного получения L звуков натурального строя, то есть находящихся в отношении 1:2:3:…:L, абсолютные высоты которых определяются частотой вращения ротора по формулам:
1
ν=2f,
2
ν=4f,
3
ν=6f,
…
L
ν=2Lf,
1
2
3
L
где ν, ν, ν, …, ν - частоты тонов, составляющих натуральный строй,
f - частота вращения ротора, Гц.
Чтобы генерировать отрезок натурального звукоряда, начинающийся не с первого тона, а с любого произвольного, первый участок ротора должен иметь четное число окон 2k, большее 2, а первый участок статора - соответственно нечетное число окон 2k+1 для одновременного получения L звуков натурального строя, находящихся в отношении k: k+1:k+2:…:k+L-1, абсолютные высоты которых определяются частотой вращения ротора по формулам:
1
ν=2kf,
2
ν=2(k+1)f,
3
ν=2(k+2)f,
…
L
ν=2(k+L-1)f,
1
2
3
L
где ν, ν, ν, …, ν - частоты тонов, составляющих отрезок натурального звукоряда,
f - частота вращения ротора, Гц.
Статор и ротор представляют собой коаксиальные поверхности вращения, не обязательно цилиндрические, но возможно расширяющиеся с увеличением числа окон по периметру их поперечного сечения, например конические, эллиптические, параболические, гиперболические или другой формы.
Изложенная сущность поясняется чертежами, где на фиг.1-3 изображена схема мультитональной сирены, генерирующей отрезок гармонического звукоряда, начинающегося с основного тона, на фиг.4 - вариант сирены, генерирующий отрезок гармонического звукоряда с пропущенными низшими тонами, т.е. начинающийся не с основного тона, а с любого высшего. Такая схема позволяет генерировать ряд коренных аккордов гармонии, например консонирующее трезвучие (четвертый, пятый, шестой звуки натурального звукоряда) и септаккорд (четвертый, пятый, шестой и седьмой звуки). На фиг.5 приведена схема возбуждения, на фиг.6 - схема воздействия потоков газа, истекающих из окон ротора, на окна статора, на фиг.7 - номограмма конструктивных парамеров сирены: частот генерируемых колебаний, гармонических музыкальных интервалов, частот вращения ротора и числа его окон.
Работа устройства.
Конструкция сирены предусматривает последовательное чередование следующих свойств ее поперечных сечений: в каждом сечении располагается некоторый участок статора 1, содержащий n окон, и участок ротора 2, содержащий n-1 или n+1 окон.
р
При вращении ротора 2 с угловой скоростью ω, на соседних участках которого располагается n+1 и n-1 равномерно отстоящих друг от друга окон, каждое из n окон на смежной поверхности статора 1 поочередно испытывает пульсации радиального потока газа (фиг.5). Направление пульсации в первом случае совпадает с направлением вращения ротора 2, во втором - противоположно. Иначе говоря, увеличение числа окон ротора на единицу по отношению к числу окон статора дает прямую, или попутную волну пульсации, а уменьшение на единицу - обратную, или встречную волну, относительно направления вращения ротора. В результате с этих двух соседних участков ротора 2 снимаются встречные вращающиеся в окружном направлении волны акустических колебаний. Вычислим частоты вращений этих волн.
р
р
Пусть в начальный момент одно из окон ротора 2 и статора 1 совпадает (фиг.6). Импульс давления со стороны истекающего из окна ротора 2 газа 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:
ν=f (n+1)
- для прямой бегущей волны и
ν=f (n-1)
- для обратной бегущей волны.
Следовательно, частота вращающейся акустической волны многократно превышает частоту вращения ротора f.
Принцип генерирования сиреной гармонических тонов.
Пусть L - секционный ротор 2 вращается с произвольной частотой f (фиг.1). Его первая низкочастотная секция с 2 окнами генерирует тон частоты
1
ν=2f.
Одновременно вторая секция ротора с 4 окнами генерирует тон частоты
2
ν=4f.
Третья секция ротора с 6 окнами -
3
ν=6f и т.д.
Последняя высокочастотная L-я секция ротора с 2L окнами генерирует заключительный тон отрезка натурального звукоряда:
L
ν=2Lf.
Таким образом, при любой частоте вращения fc единого L-секционного ротора 2 снимается мультитональный звуковой сигнал, высоты тонов которого относятся друг к другу как
1:2:3:…:L.
Абсолютные высоты этих звуков натурального строя многократно превышают частоту вращения ротора и пропорциональны ей, а направления вращения звуковых волн последовательно чередуются. В результате получаем неосесимметричные встречные высокооборотные акустические волны, создающие значительные сдвиговые напряжения в среде и содержащие только гармонические музыкальные интервалы.
Первая низкочастотная секция ротора может также начинаться с любого четного числа окон 2k, большего 2 (фиг.4).
Рассмотрим частные случаи.
1. Пусть L=2 - двухсекционный ротор, низкочастотная секция которого снабжена 2k окнами. Статор имеет только одну секцию, содержащую нечетное число окон n=2k+1. Тогда имеем двухтональную сирену, отношения высокого и низкого тонов которой составляют:
h
l
ν/ν=(n+1)/(n-1)=(k+1)/k.
Очевидно, что для последовательности нечетных чисел n числа окон такого статора:
n=3, 5, 7, 9, 11,
или, соответственно, для четного числа окон низкочастотной секции ротора:
2k=2, 4, 6, 8, 10
отношение генерируемых тонов сирены будет строго соответствовать консонантным интервалам октавы, квинты, кварты, большой и малой терции соответственно (табл.3).
Для продолжающейся последовательности нечетных чисел n числа окон статора:
n=13, 15, 17, 19, …
и, соответственно, для четного числа окон низкочастотной секции ротора:
2k=12, 14, 16, 18, …
отношение генерируемых тонов сирены будет строго соответствовать другим музыкальным интервалам, уже диссонантным (табл.4).
Таблица 3
Консонантные музыкальные интервалы, генерируемые мультитональной 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
Таблица 4
Диссонантные музыкальные интервалы, генерируемые мультитональной сиреной
Название интервала
Отношение высот тонов, равное отношению чисел окон секций ротора (n+1)/(n-1)
Число n окон статора сирены
узкая малая терция
7/6
13
широкая большая секунда
8/7
15
большой полный тон
9/8
17
малый полный тон
10/9
19
диатонический полутон
16/15
31
Итак, двухтональная гармоническая сирена содержит один однородный участок статора с нечетным числом окон:
n=2k+1,
где k - делитель отношения высот тонов генерируемого интервала:
(k+1)/k.
Отсюда следует простое правило для выбора числа окон n статора сирены, генерирующей любой гармонический музыкальный интервал: сумма числителя и знаменателя отношения высот составляющих его звуков в точности равна числу окон статора сирены.
2. Пусть L=3 - трехсекционный ротор. Тогда имеем трехтональную сирену. Особый интерес представляет коренное консонирующее трезвучие (четвертый, пятый, шестой звуки натурального ряда). Поэтому низкочастотная секция ротора должна иметь 8 окон. Такая схема приведена на фиг.4. В силу практической значимости этой версии устройства сформулируем ее признаки еще раз полностью.
Это сирена, включающая коаксиально установленные статор и ротор, на которых выполнены равномерно расположенные по окружности окна, привод для вращения ротора, средство для подачи газа в ротор, отличается тем, что статор сирены состоит из двух последовательных продольных участков с числом окон 9 и 11 соответственно, а ротор сирены состоит из трех последовательных продольных участков с числом окон 8, 10 и 12 соответственно, причем средний участок ротора перекрывает границу участков статора, для одновременного получения трех звуков натурального строя, находящихся в отношении 4:5:6, абсолютная высота которых определяется частотой вращения ротора по формулам:
1
ν=8f,
2
ν=10f,
3
ν=12f,
1
2
3
где ν, ν, ν - частоты тонов, составляющих натуральное трезвучие,
f - частота вращения ротора, Гц.
3. Пусть L=4 - четырехсекционный ротор. Тогда имеем четырехтональную сирену. Будем генерировать коренной консонирующй септаккорд (четвертый, пятый, шестой звуки натурального ряда). Низкочастотная секция ротора также должна иметь 8 окон. Статор состоит из трех секций с числами окон соответственно 9, 11, 13, а ротор - из четырех секций с 8, 10, 12, 14 окнами.
4. Пусть L=6 - шестисекционный ротор, низкочастотная секция которого снабжена 2 окнами. Статор будет иметь пять секций, содержащих соответственно нечетное число окон n=3, 5, 7, 9, 11. Тогда имеем шеститональную сирену, отношения последовательных тонов которой составляют:
1:2:3:4:5:6.
Такая схема приведена на фиг.1-3.
Номограмма мультитональной сирены гармонических музыкальных интервалов.
Для проведения проектного анализа и расчета конструктивных параметров по вышеприведенным расчетным формулам построена номограмма мультитональной сирены музыкальных гармонических интервалов (фиг.7). По ней наиболее легко подбирать ее основные конструктивные параметры: требуемые гармонические интервалы, частоты генерируемых тональных колебаний v, частоты вращения ротора Гц числа его окон 2k.
Пояснения к номограмме: частоты вращения ротора f, об/с, отложены на абсциссе, частоты генерируемых тональных колебаний v, Гц - на левой ординате, четные числа окон ротора 2k и гармонические интервалы между тонами колебаний представлены на правой ординате.
1
1
2
2
3
3
Например, по правой ординате выбираем требуемые интервалы тонов сирены и находим соответствующие четные числа окон секций ротора 2k. Обращаемся к отвечающим выбранным числам окон участков ротора номограммы сирены. Она представляет собой семейство двух или более прямых ν=ν(f), ν=ν(f), ν=ν(f), … тонов сирены как функции частоты вращения ротора f.
Из представленной номограммы видно, что для используемых в практике технологических процессов обработки дисперсных систем, а также оповещательных сигналов параметры сирены легко реализуются. Так, в качестве привода вполне возможно использование самых распространенных низкооборотных асинхронных электродвигателей.
Пример расчета параметров мультитональной гармонической сирены, генерирующей двузвучия, трезвучия, четырехзвучия и т.д. с заданными значениями абсолютных частот колебаний.
1. Пусть, например, требуется получить большую терцию. По правой ординате номограммы определяем числа окон двух секций ротора: 8 и 10. Пусть основной (низший) тон двузвучия должен составлять 400 Гц. Тогда по номограмме находим требуемую частоту вращения ротора: 50 об/с, а также верхнюю частоту двузвучия, образующую большую терцию: 500 Гц.
Малая терция психологически звучит более тревожно, что может быть применено для соответствующих случаев. Для нее имеем: по правой ординате номограммы числа окон двух секций ротора: 10 и 12. Для 400 Гц сигнала основного тона по номограмме находим частоту вращения ротора: 40 об/с и верхнюю частоту малой терции 480 Гц.
2. Пусть требуется генерировать коренное консонирующее трезвучие (четвертый, пятый, шестой звуки натурального строя). По правой ординате номограммы находим, что низкочастотная секция ротора содержит 8 окон, тогда как высокочастотные - 10 и 12. Пусть основной (низший) тон должен составлять 400 Гц. Тогда по номограмме определяем требуемую частоту вращения ротора: 50 об/с, а также две верхние частоты трезвучия, образующие последовательно большую и малую терции: 500 Гц и 600 Гц.
3. Для генерирования коренного септаккорда (четвертый, пятый, шестой и седьмой звуки натурального звукоряда) добавляется еще одна высокочастотная секция ротора. По правой ординате номограммы получаем, что низкочастотная секция ротора содержит 8 окон, тогда как высокочастотные - 10, 12 и 14. Для этого четырехзвучия с основным (низшим) тоном 400 Гц по номограмме находим требуемую частоту вращения ротора: 50 об/с, а также три верхние частоты четырехзвучия, образующие последовательно большую, малую и узкую малую терции: 500 Гц, 600 Гц и 700 Гц.
Итак, для любой частоты вращения L-секционного ротора с последовательными четными числами окон генерируются точные гармонические музыкальные интервалы многотонального сигнала сирены, абсолютная высота тонов которого легко регулируется оборотами ротора.
Литература
1. Гладышев В.Н. Динамическая сирена. Теория, эксперимент, приложения. Новосибирск, 2000.
2. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике, пер. с нем., 2-е изд., М., 1957.
3. Кроуфорд А.Э. Ультразвуковая техника, пер. с англ., М., 1958.
4. Карновский М.И. Теория и расчет сирен. ЖТФ, 1945, №6, с.348-364.
5. Веллер В.А., Степанов Б.И. Ультразвуковые сирены с приводом от электродвигателя, «Акустический журнал», 1963, т.9, №3.
6. Свияженинов Е.Д. Гидроакустическая сирена. Патент на изобретение №2284229. Приоритет 28.04.04.
7. Свияженинов Е.Д. Сирена встречных резонансных волн. Патент на изобретение №2344001. Приоритет 09.03.07.
8. Свияженинов Е.Д. Сирена. Решение о выдаче патента на изобретение по заявке №2007124206 от 28.08.08. Приоритет 27.06.07 - Прототип.
9. И.А.Алдошина, Р.Приттс. Музыкальная акустика. СПб.: Изд-во Композитор, 2006 г., 720 с.
10. Rossing T.D. The Science of Sound. N.Y.: Addison Wesley PubL, 1982.
11. ГОСТ Р22.0.01-94. Безопасность в чрезвычайных ситуациях.