ЭЛЕКТРОПНЕВМАТИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР ЗВУКА
ELECTROPNEUMATIC SOUND GENERATOR

Изобретение относится к технической акустике и может быть использовано для испытаний конструкций на акустическую усталостную прочность.
Известен электропневматический преобразователь фирмы Уайл типа WAS 3000. Установки для испытаний конструкций аэрокосмических аппаратов на акустическую прочность (по материалам открытой зарубежной печати. Составители B.C. Николаев, Н.Ф. Каурова М НАГИ 1979 г. обзоры ЦАГИ №565) стр. 42.
Известный преобразователь имеет форкамеру для газа под давлением, соединенную с рупором через клапанный узел, состоящий из двух вложенных друг в друга цилиндрических оболочек подвижной и неподвижной, перфорированных рядами сквозных поперечных щелей. Один конец подвижной оболочки жестко скреплен с неподвижной оболочкой, на другом конце подвижной оболочки намотана обмотка возбуждения, которая помещена в кольцевой зазор кольцевого постоянного магнита. При пропускании переменного тока возбуждения через обмотку возникает сила, которая приводит в колебательное движение подвижную оболочку вдоль ее оси. Сквозные отверстия щелей периодически открываются и закрываются с частотой тока возбуждения, модулируя поток газа. Недостатком известного электропневматического преобразователя является низкая максимальная допустимая частота модуляции, так как при постоянной амплитуде перемещения подвижной оболочки с увеличением частоты требуется увеличение силы тока возбуждения, пропорциональное квадрату частоты. Такое увеличение силы тока приводит к резкому увеличению тепловой энергии, выделяемой в обмотке возбуждения и ее перегреву. Это является основным недостатком работы преобразователя на частотах свыше 500 Гц. При использовании специальной системы охлаждения не удается расширить  частотный диапазон свыше  700 Гц. Другим недостатком является малая надежность подсоединения токонесущих проводов к обмотке, расположенной на подвижной оболочке.
Известен электропневматический преобразователь фирмы Линг типа ЕРТ 200 (стр. 31 вышеуказанного обзора ЦАГИ №565). Модулятор преобразователя ЕРТ 200 состоит из перфорированных в центральной части подвижной и неподвижной оболочек, связанных между собой двумя кольцевыми упругими элементами. Один конец подвижной оболочки представляет собой короткозамкнутый виток, расположенный в воздушном зазоре магнитопровода постоянного магнита с коаксиальной обмоткой возбуждения. При протекании переменного тока через обмотку возбуждения в короткозамкнутом витке индуцируется ток, взаимодействующий с постоянным магнитным полем в воздушном зазоре магнитопровода, возникает переменная сила, действующая на подвижную оболочку, и приводящая ее в колебательное движение. Недостатком преобразователя ЕРТ 200 является перегрев обмотки возбуждения при расширении частотного диапазона работы модулятора свыше 1000 Гц. Так как при постоянной амплитуде перемещения подвижной оболочки с увеличением частоты требуется увеличение силы тока возбуждения пропорциональное квадрату частоты, это приводит к резкому увеличению тепловой энергии, выделяемой в обмотке возбуждения и в короткозамкнутом витке. Расширение частотного диапазона ограничивается возможностями системы охлаждения, используемой в ЕРТ 200. Система охлаждения работает в циклическом режиме. В нерабочем положении модулятора струя дистиллированной воды под давлением впрыскивается в зазор между обмоткой возбуждения и короткозамкнутым витком, где она омывает охлаждаемые поверхности. После этого вода выкачивается насосом в агрегат охлаждения. Система охлаждения также включает в себя намотку обмотки возбуждения пустотелым медным проводом, через который под давлением прокачивается дистиллированная вода. Такая система охлаждения сложна и малонадежна при ее эксплуатации, а также может использоваться только в стационарных условиях работы преобразователя.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является электропневматический генератор звука патент РФ №2040043 G10K 7/06. Генератор звука содержит форкамеру, соединенную с источником газа под давлением и соединенную с рупором через клапанный узел-модулятор, состоящий из двух вложенных друг в друга перфорированных в центральной части подвижной и неподвижной оболочек, связанных между собой кольцевыми упругими элементами. Один конец подвижной оболочки расположен в воздушном зазоре магнитопровода постоянного магнита с коаксиальной обмоткой возбуждения и представляет собой короткозамкнутый виток. При протекании от генератора возбуждения тока через обмотку возбуждения в короткозамкнутом витке индуцируется ток, взаимодействующий с постоянным магнитным полем в зазоре магнитопровода, возникает сила, действующая на подвижную оболочку и приводящая ее в колебательное движение. Сквозные перфорированные отверстия оболочек открываются и закрываются с частотой тока возбуждения, модулируя поток газа. Недостатком генератора звука является низкая максимально допустимая частота модуляции, так как при постоянной амплитуде перемещения подвижной оболочки с увеличением частоты необходимо увеличивать силу тока в обмотке возбуждения пропорционально квадрату частоты. Такое увеличение силы тока приводит к резкому увеличению тепловой энергии, выделяемой в обмотке возбуждения и короткозамкнутом витке. Расширение частотного диапазона работы ограничивается возможностями системы охлаждения греющихся элементов. В генераторе звука система охлаждения использует трубчатый медный проводник для намотки обмотки возбуждения через который пропускается под давлением охлаждающая жидкость. Охлаждение короткозамкнутого витка происходит отдельным потоком газа из форкамеры. Для повышения эффективности охлаждения обмотки возбуждения используется распределенная система параллельных путей протока охлаждающей жидкости. Протоки являются одновременно токонесущими проводами к обмотке возбуждения. Источником охлаждающей жидкости служит сеть маслонасосной станции. Такая система охлаждения малонадежна при ее эксплуатации и по своей сложности и обслуживанию превосходит сам генератор звука.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является расширение высокочастотной части частотного диапазона работы электропневматического преобразователя без увеличения тока возбуждения.
Технический результат достигается тем, что электропневматический генератор звука содержащий источник возбуждения тока, рупор, форкамеру с газом под давлением, соединенную с рупором через клапанный узел, состоящий из вложенных друг в друга цилиндрических перфорированных в центральной части неподвижной и подвижной оболочек, два упругих элемента, прикрепленных к корпусу и подвижной оболочке, один конец которой размещен в воздушном кольцевом зазоре первого магнитного узла, состоящего из постоянного магнита и коаксиальной обмотки возбуждения, дополнительно содержит второй магнитный узел, аналогичный первому, в воздушном кольцевом зазоре которого размещен другой конец подвижной оболочки, преобразователь напряжение-ток, сумматор токов, распределитель токов, усилитель, датчик перемещения, прикрепленный к подвижной оболочке, при этом выход датчика перемещения подключен к первому входу усилителя, второй вход которого соединен с элементом настройки его коэффициента усиления, кроме того выход усилителя через преобразователь напряжение-ток подключен к первому входу сумматора токов, выход которого соединен с коаксиальной обмоткой возбуждения второго магнитного узла, при этом источник возбуждения тока подключен ко входу распределителя токов, первый выход которого соединен с коаксиальной обмоткой возбуждения первого магнитного узла, а второй его выход подключен ко второму входу сумматора токов.
На фигуре приведена блок-схема электропневматического генератора звука. Электропневматический генератор звука содержит источник возбуждения тока 1, рупор 2, форкамеру 3, соединенную с рупором 2 через клапанный узел, состоящий из вложенных друг в друга цилиндрических перфорированных в центральной части оболочек подвижной 4 и неподвижной 5, два упругих элемента 6, одним концом прикрепленных к подвижной оболочке 4, а другим к корпусу 7. Один конец подвижной оболочки 4 размещен в кольцевом зазоре первого магнитного узла, состоящего из постоянного магнита 8 и коаксиальной обмотки возбуждения 9. Другой конец подвижной оболочки 4 помещен в кольцевой зазор второго магнитного узла, аналогичного первому, и содержащего постоянный магнит 10 и коаксиальную обмотку возбуждения 11. К подвижной оболочке 4 прикреплен датчик перемещения 12, выход которого подключен к первому входу усилителя 13, второй вход которого соединен с элементом настройки 14 коэффициента усиления усилителя 13. Выход усилителя 13 через преобразователь напряжение-ток 15 соединен с первым входом сумматора токов 16, выход которого подключен к коаксиальной обмотке возбуждения 11. Источник возбуждения тока 1 подключен к входу распределителя токов 17, первый выход которого соединен с коаксиальной обмоткой возбуждения 9, а второй его выход подключен ко второму входу сумматора токов 16.
воз
1
2
1
2
1
2
воз
воз
2
Электропневматический генератор звука работает следующим образом. Переменный ток I от источника возбуждения тока 1 подается на вход распределителя токов 17, на выходе которого образуются два тока I и I. В генераторе звука клапанный узел-модулятор состоит из вложенных друг в друга перфорированных в центральной части оболочек подвижной 4 и неподвижной 5, а также двух упругих элементов 6, задающих начальное положение колебательного движения подвижной оболочки 4. Один конец подвижной оболочки 4, представляющий собой короткозамкнутый виток, размещен в воздушном зазоре первого магнитного узла с коаксиальной обмоткой возбуждения 9 и постоянным магнитом 8. При протекании тока Iчерез коаксиальную обмотку возбуждения 9 возникает сила, приводящая в колебательное движение подвижную оболочку 4. Сквозные перфорированные отверстия подвижной 4 и неподвижной 5 оболочек периодически открываются и закрываются, модулируя газовый поток, проходящий из форкамеры 6 в рупор 7. Одновременно ток I протекает через сумматор токов 16 и возбуждает коаксиальную обмотку возбуждения 11 второго магнитного узла с постоянным магнитом 10. В воздушный зазор второго магнитного узла помещен другой конец подвижной оболочки 4, представляющий собой также короткозамкнутый виток. Возникает дополнительная сила, действующая на подвижную оболочку 4, которая совпадает по фазе с силой, возбуждаемой в первом магнитном узле. При равенстве токов I и I сила удваивается. Если активные сопротивления R коаксиальных обмоток возбуждения 9 и 11 равны, то выделяемая тепловая мощность в каждой обмотке есть (I/2) R, то есть в 4 раза меньше, чем если бы весь ток I проходил через коаксиальную обмотку 9. В результате нагрев коаксиальных обмоток возбуждения 9 и 11 существенно уменьшается, а поскольку обмотки разнесены дистанционно, то улучшаются условия теплообмена с окружающей средой.
0
0
воз
воз
воз
воз
0
0
р
воз
0
0
у
у
Амплитудно-частотная характеристика колебательной системы модулятора при постоянном возбуждении переменным током зависит от ее резонансных свойств. Собственная частота колебаний системы определяется как  где m - масса подвижной оболочки 4 и двух упругих элементов 6, c - жесткость упругих элементов. Если бы колебания системы были на одной частоте ω, тогда идеальным случаем была бы работа модулятора вблизи резонанса на частоте ω со слабым демпфированием (частота резонанса  где n<1 есть относительный коэффициент демпфирования). В этом случае возбуждающая сила, пропорциональная току I, действующая на подвижную оболочку 4, а значит и требуемый ток I, были бы существенно снижены. За резонансом амплитудно-частотная характеристика падает, перемещение подвижной оболочки 4 зависит от величины массы m и тока возбуждения I, необходимого для поддержания постоянного перемещения, при этом I должен увеличиваться пропорционально квадрату частоты (ускорение массы m колебательной системы возрастает пропорционально квадрату частоты). Модулятор работает в определенном диапазоне частот, поэтому необходимо иметь возможность изменять ω. В частности, для расширения частотного диапазона работы необходимо увеличить ω так, чтобы резонанс колебательной системы находился в высокочастотной части требуемого рабочего диапазона частот, и частота резонанса ω для определения ее оптимального значения регулировалась в некоторых пределах. При этом демпфирование должно быть таким, чтобы при неизменном токе возбуждения I перемещение подвижной оболочки 4 было по возможности постоянным во всем рабочем диапазоне частот. Для увеличения ωнеобходимо уменьшить массу m, но так как перемещение подвижной оболочки 4 в зависимости от частоты, особенно на высоких частотах, происходит под действием возбуждающей силы в несколько сотен кг, то уменьшение m ограничивается пределом прочности самой конструкции подвижной оболочки 4. Поэтому увеличение собственной частоты ωосуществляется за счет увеличения жесткости колебательной системы. Для этого к подвижной оболочке 4 прикреплен датчик перемещения 12 с собственной массой, много меньшей массы m. При возбуждении колебательной системы выходной сигнал x датчика перемещения 12 усиливается в К раз усилителем 13, в котором с помощью узла настройки 14 регулируется коэффициент усиления К. Сигнал с выхода усилителя 13 подается через преобразователь напряжение-ток 15 на первый вход сумматора токов 16 и далее с выхода сумматора токов 16 на коаксиальную обмотку возбуждения 11 второго магнитного узла. С увеличением частоты возбуждения увеличивается полное сопротивление z коаксиальных обмоток возбуждения 9 и 11. Это приводит к уменьшению токов возбуждения, протекающих через эти обмотки, с повышением частоты. Этот эффект устраняется за счет использования источников тока - преобразователя 15 и источника возбуждения тока 1, при этом токи в коаксиальных обмотках возбуждения 9 и 11 не зависят от полных сопротивлений z этих обмоток.
1
2
y
п
m
п
m
y
п
m
у
у
y
0
0
0
у
воз
На подвижную оболочку 4, помимо сил, вызванных токами I и I, действует сила обратной связи F=K⋅K⋅K⋅х, где К - коэффициент преобразования выходного сигнала усилителя 13 в ток возбуждения коаксиальной обмотки возбуждения 11, К - коэффициент преобразования тока возбуждения коаксиальной обмотки 11 во втором магнитном узле в силу F. Сила F прямо пропорциональна перемещению х оболочки 4, поэтому общий коэффициент пропорциональности K⋅K⋅K - есть регулируемая жесткость с. При изменении коэффициента усиления К усилителя 13 изменяется суммарная жесткость колебательной системы c=c+c, а значит и ω. Регулируя частоту собственных колебаний ω, за счет изменения с, не увеличивая ток возбуждения I, удается расширить частотный диапазон работы модулятора.
воз
Таким образом, используя две коаксиальные обмотки возбуждения, находящиеся в воздушных зазорах двух дистанционно разнесенных магнитных узлов, и регулируя положение резонанса колебательной системы в высокочастотной части частотного диапазона работы модулятора, удается без увеличения тока возбуждения I и использования специальных систем охлаждения расширить частотный диапазон работы электропневматического генератора звука.