ОДНОТОНАЛЬНАЯ СИРЕНА ВСТРЕЧНЫХ ВОЛН
SINGLE-TONE SIREN FOR COUNTER-PROPAGATING WAVES

Изобретение относится к сиренам - самым 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 первом случае воздушный поток совпадает с осью вращения, во втором - направлен по радиусу перпендикулярно оси. Так, в аксиальных 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, 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 ν определяется числом отверстий в роторе или статоре n и частотой вращения ротора f:
ν=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.
В настоящее время динамические сирены применяются не только и не столько для сигнализации (тревожной, оповестительной, т.д.). Эти функции 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: коагуляции мелкодисперсных аэрозолей (сажи в процессе производства, дымов и пыли на шахтах и рудниках в момент отладки), 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 не оптимальны. 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. 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 сирена встречных волн, генерирующая две встречные неосесимметричные волны, частоты вращения которых многократно превышают частоту вращения ротора и могут составлять все существующие музыкальные консонантные интервалы /Свияженинов Е.Д. Сирена. Решение о выдаче патента на изобретение по заявке №2007124206 от 28.08.08. Приоритет 27.06.07 - прототип/. На практике, вместе с тем, встречаются случаи, когда в технологической среде требуется создавать акустические вибрации строго определенной частоты, определяемой физико-химческими свойствами этой среды.
Задача настоящего изобретения - создание сирены, обеспечивающей генерирование монохроматических гидроакустических колебаний, создающих высокие сдвиговые напряжения в жидкой или газообразной среде, посредством встречных вращающихся волн, снимаемых с единого однородного по длине вращающегося вала ротора. Сопутствующим эффектом является технологическая простота, экономичность и надежность как конструкции сирены, так и ее эксплуатации.
Особенности прототипа.
Для технологической обработки жидких и газообразных сред оптимально создавать в них переменные сдвиговые напряжения.
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 генерирует две встречные вращающиеся волны акустических колебаний, снимаемые с двухсекционного ротора, частоты которых образуют точный консонантный музыкальный интервал и многократно превышают частоту вращения ротора. Сопутствующим эффектом является технологическая простота, экономичность и надежность устройства.
Сущность изобретения.
Однотональная сирена встречных волн (фиг.1-3) содержит коаксиально установленные полые статор 1 и вращающийся внутри него ротор 2, на которых выполнены равномерно расположенные по окружности сквозные отверстия (окна), привод для вращения ротора 3 и средство для подачи жидкой или газообразной среды рабочей среды в ротор 4. Ротор сирены однороден по длине, т.е. на всем протяжении содержит одно и то же некоторое определенное число n окон, а статор сирены состоит из последовательных продольных участков (секций), выполненных с числом окон, отличным на единицу от числа окон ротора для реализации вращающейся волны колебаний - прямой (попутной) относительно направления вращения ротора в случае на единицу меньше и обратной (встречной) в случае на единицу больше, при этом число таких секций статора произвольно, и они последовательно чередуются для обеспечения встречного вращения волн на границах секций, при этом высота тона сирены определяется частотой вращения ротора по формуле:
f - частота вращения ротора,
n - число окон ротора.
В простейшем частном случае односекционного статора будет генерироваться одна вращающаяся волна - прямая, попутная вращению ротора, при n-1 окнах статора, и обратная, встречная вращению ротора, при n+1 окнах статора, частота вращения которой также определяется соотношением (1).
Изложенная сущность поясняется чертежами, где на фиг.1-3 изображена схема однотональной сирены, генерирующей встречные вращающиеся волны определенного тона, на фиг.4 приведена схема возбуждения вращающихся волн, на фиг.5 - схема последовательного воздействия потоков жидкости или газа, истекающих из окон ротора, на окна статора, на фиг.6, 7 - номограммы конструктивных параметров сирены: частот генерируемых колебаний, 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-1 или n+1 окон, и участок ротора 2, всегда содержащий n окон.
p
При вращении ротора с угловой скоростью ω, на поверхности которого располагается n равномерно отстоящих друг от друга окон, каждое из n-1 или n+1 окон на смежной поверхности статора поочередно испытывает пульсацию радиального потока жидкости или газа (фиг.4). Направление пульсации в первом случае совпадает с направлением вращения ротора 2, во втором - противоположно. Иначе говоря, уменьшение числа окон статора на единицу по отношению к числу окон ротора дает прямую, или попутную волну пульсации, а увеличение на единицу - обратную, или встречную волну, относительно направления вращения ротора. В результате с двух соседних участков статора снимаются встречные вращающиеся в окружном направлении волны акустических колебаний. Вычислим частоты вращений этих волн.
p
p
Пусть в начальный момент одно из окон ротора и статора совпадают (фиг.5). Импульс давления со стороны истекающей из ротора жидкости передается в окно статора. При повороте ротора на угол  (при прямой волне) или на  (при обратной) пульсация давления произойдет на соседнем окне статора - по ходу вращения ротора или против. При повороте ротора на угол (n-1)δ=2π/n или на (n+1)δ=2π/n импульс давления ровно один раз обежит окружность в прямом или обратном направлении. Таким образом, угловая скорость вращения импульса давления составляет ω=nω - в прямом и ω=nω - в обратном направлении.
Окончательно частота вращения  ротора связана с частотой генерируемых акустических колебаний  и числом n окон ротора следующим образом:
ν=fn
- для прямой бегущей волны и
ν=fn
- для обратной бегущей волны.
Следовательно, частота вращающейся акустической волны в прямом и обратном направлениях строго одинакова и ровно в n раз превышает частоту вращения ротора.
Номограммы однотональной сирены встречных волн.
Для проведения проекторного анализа и расчета конструктивных параметров по вышеприведенным расчетным формулам построены номограммы однотональной сирены встречных волн (фиг.6, 7). По ним наиболее легко подбирать ее основные конструктивные параметры: частоты генерируемых гидроакустических колебаний ν, частоты вращения ротора f и числа его окон n.
Пояснения к номограммам: частоты вращения ротора f, об/сек, представлены на абсциссе, числа окон ротора n - на правой ординате, а частоты генерируемых гидроакустических колебаний ν, Гц - на левой ординате.
Например, задаемся требуемой частотой гидроакустических колебаний ν. Тогда по семейству прямых ν(f) подбираем комбинацию числа окон ротора n и частоту его вращения f. Из номограмм видно, что технические параметры асимметричных сирен легко реализуются. Так, в качестве привода вполне возможно использование самых распространенных низкооборотных асинхронных электродвигателей.
Пример расчета параметров сирены, гененерирующей единым однородным по длине ротором встречные волны.
Пусть требуется возбудить частоту гидроакустических колебаний рабочей среды ν=500 Гц.
Тогда по семейству прямых ν(f) (фиг.6, 7) или по формуле (1):
f=ν/n
- для сирены как на прямой, так и на обратной вращающейся волне, получаем возможные комбинации числа окон ротора n и частоту его вращения f:
Итак, с единого n-портового ротора сирены через перфорацию полого статора в окружающее пространство передается рабочая среда, возбуждая интенсивные встречные гидроакустические волны, частоты вращений которых строго одинаковы и ровно в n раз превышают частоту вращения самого ротора. Благодаря увеличению частоты вращения гидроакустической волны относительно частоты вращения ротора легко достигаются высокочастотные режимы гидроакустических колебаний при самых небольших оборотах ротора, одновременно для прямых и обратных волн.
Использованные источники
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 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.