СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ ЗВУКА ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ КОНСТРУКЦИЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
SOUND GENERATION METHOD FOR TESTING STRUCTURES AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области испытательной техники, в частности, к технической акустике, и позволяет расширить рабочий диапазон частот звука в высокочастотную область. Изобретение предназначено для испытаний на акустическую прочность аэрокосмических, электронных и других изделий и приборов.
Известен широкий ряд устройств, в частности, «Устройство для создания акустических волн» а.с. 917193 G10K /06, «Электропневматический преобразователь» а.с. 1404843 G10K 7/00, «Электропневматический преобразователь» а.с. 1700582 G10K 7/00, «Электропневматический генератор акустических волн» а. с. 1501137, «Электропневматический генератор звука» а.с. 1651320 G10K 7/06, «Акустический генератор» а.с. 1644210 G10K 7/06 и др.
Способы генерации звука, положенные в основу этих устройств, отличаются друг от друга операциями по приведению в движение клапанных узлов, дросселирующих газ, отслеживанию взаимного положения подвижной и неподвижной частей клапанных узлов. Операцию дросселирования газа в клапанных узлах осуществляют посредством перемещения в осевом направлении относительно друг друга двух, концентрически расположенных полых цилиндров с одинаковой системой щелей в каждом из них, один из которых жестко закреплен, а другой относительно него подвижен. В результате указанного перемещения изменяют проходное сечение клапанного узла, через который пропускают сжатый газ. Теплообмен в виброприводе осуществляют разными способами. Клапанный узел совместно с виброприводом образуют модулятор генератора звука.
Общим недостатком известных способов является отсутствие возможности изменения собственной частоты модулятора, большое тепловыделение в месте работы электромагнитных виброприводов и недостаточное их охлаждение, что не позволяет расширить рабочий диапазон генерации звука в высокочастотную область. Ниже опишем известные способы генерации звука, используемые в известных устройствах. Один из известных способов реализован в устройстве «Акустический генератор» а.с. SU №1644210, G10K 7/06 опубликовано 23.04.91 бюл. №15. Описанное выше устройство также является аналогом для технического решения, положенного в основу устройства, предлагаемого авторами.
Согласно описанию изобретения и чертежу, воздушный модулятор данного акустического генератора состоит из двух, вложенных друг в друга с малым зазором полых цилиндров с одинаковой системой щелей. Один цилиндр жестко прикреплен к корпусу и неподвижен, а другой, подвижный, цилиндр перемещается в осевом направлении по отношению к неподвижному, совершая возвратно поступательные движения. С одной стороны подвижный цилиндр связан с неподвижным с помощью упругих элементов, с другой стороны подвижный элемент связан с электромагнитным виброприводом. Щели подвижного и неподвижного цилиндров в исходном положении смещены относительно друг друга на половину ширины.
Способ, на котором основано рассматриваемое изобретение, реализуется следующим образом. Сжатый воздух через сопло подают в форкамеру, в которой расположен воздушный модулятор, и дросселируют его через клапанный узел этого модулятора. На обмотку возбуждения электромеханического вибропривода подают переменное напряжение, приводят подвижный элемент клапанного узла в возвратно-поступательное движение и тем самым модулируют поток сжатого воздуха с частотой работы электромагнитного привода. Электрический ток, проходящий по обмотке возбуждения, нагревает его. Обмотку возбуждения охлаждают сжатым воздухом, поступающим в форкамеру. Для этого в форкамеру воздух подают по касательной к ее стенке, этим создают вихревое движение, и сжатый воздух разделяют на два потока с различными температурами. Холодный воздух, скапливающийся в центре, подают в магнитный зазор для охлаждения катушки возбуждения, намотанный на конце подвижного цилиндра клапанного узла.
2
Отличительной особенностью способа генерации звука, использованного в этом акустическом генераторе, являются операции, направленные на охлаждение катушки возбуждения, что позволило несколько снизить нагрев и увеличить ток, протекающий по катушке, тем самым расширить частотный диапазон его работы. Однако охлаждение воздуха за счет его турбулизации и разделения на два потока весьма ограничено по своим возможностям, т.к.это связано с принципиальной ограниченностью величины давления сжатого воздуха в форкамере из условий достижения оптимального акустического КПД. Согласно накопленного опыта давление целесообразно увеличивать до величины 3,5 кгс/см (см. «Установки для испытаний конструкций аэрокосмических аппаратов на акустическую прочность» (по материалам открытой зарубежной печати. Составители B.C. Николаев, Н.Ф. Каурова М. ЦАГИ 1979 г. Обзоры ЦАГИ №565, стр. 14). Увеличение давления выше указанного значения приводит к снижению акустического КПД.
Следует отметить, что электрический ток, потребный на создание модуляции потока воздуха заданной частоты, пропорционален квадрату этой частоты, а выделяемое при этом тепло пропорционально квадрату тока. Так что увеличение частоты модуляции приводит к существенному (в четвертой степени) увеличению тепловыделения в обмотке возбуждения и является серьезным препятствием для расширения частотного диапазона.
Другой недостаток рассматриваемых способа и устройства состоит в отсутствии возможности изменения собственной частоты подвижной части клапанного узла модулятора, что исключает расширение диапазона частот за счет введения подвижной части клапанного узла в резонансное движение в области высоких частот. Тем самым исключается возможность снижения энергетических затрат на модуляцию потока газа при высокой частоте изменения напряжения возбуждения.
Второй способ генерации звука с повышенной частотой реализован в устройстве «Генератор звука» патент SU №2040043, опубликованный 20.07.1995 г., бюл. №10.
Этот способ основан на том, что в форкамеру подают сжатый газ, который через клапанный узел направляют в рупор, увеличивают ток в катушке возбуждения электромагнитного вибропривода и пропускают охлаждающий агент внутри обмотки катушки возбуждения, сделанной из капиллярной трубки.
Недостатки рассмотренного способа связаны со сложностью его практической реализации и сводятся к следующему:
1. Сложность изготовления обмотки катушки возбуждения, состоящей из кусков капиллярных трубок, электрически соединенных между собой токопроводящими переходниками.
2. Необходимость создания системы хранения, перекачки и охлаждения охлаждающего агента, которая по своей стоимости и конструктивной сложности превосходит сам модулятор звука.
3. Конструктивно клапанный узел, как и в приведенном аналоге, состоит из двух концентрично расположенных перфорированных цилиндров, связанных между собой постоянной упругой связью, поэтому отсутствует возможность изменения собственной частоты подвижной части клапанного узла (модулятора), т.е. отсутствует возможность настройки клапанного узла на работу в резонансе с сигналом возбуждения в области его высоких частот.
Третий способ генерации звуковых колебаний газа высокой частоты используется в электропневматическом генераторе фирмы Линг типа ЕРТ 200, описанном в «Установки для испытаний конструкций аэрокосмических аппаратов на акустическую прочность» (По материалам открытой зарубежной печати. Составители B.C. Николаев, Н.Ф. Каурова. М. ЦАГИ. 1979 г. Обзоры ЦАГИ №565) стр. 31-42.
Способ сводится к следующему: модулирующий клапан (клапанный узел), состоящий из двух полых цилиндров (втулок) с одинаковой системой щелей, помещают в герметичный замкнутый объем (форкамеру), подают сжатый воздух в форкамеру, клапанный узел в исходном состоянии (без подачи внешнего электрического воздействия) устанавливают так, чтобы подвижный полый цилиндр наполовину перекрыл щели неподвижного цилиндра.
В рабочем состоянии подвижный полый цилиндр приводят в возвратно-поступательное движение электромагнитным виброприводом, управляя им внешним электрическим сигналом (напряжением). Охлаждают катушку возбуждения вибропривода, распрыскивая на нее дистиллированную воду. Воду подают в зазор между катушкой возбуждения и короткозамкнутым витком. После этого воду выкачивают в агрегат охлаждения при помощи воздушно-вакуумной системы.
Недостатки способа: большой ток возбуждения - 60 А (среднеквадратичное значение); большой ток электромагнита - 300 А (постоянный ток); сложная система охлаждения, требующая дополнительного оборудования, превосходящего по сложности и стоимости сам генератор звука.
Прототипами предлагаемого изобретения являются электропневматический преобразователь фирмы Уайл типа WAS 3000 и способ, использованный при его создании, описанные в обзоре «Установки для испытаний конструкций аэрокосмических аппаратов на акустическую прочность» (По материалам открытой зарубежной печати. Составители B.C. Николаев, Н.Ф. Каурова. М. ЦАГИ 1979 г. обзоры ЦАГИ №565, стр. 42-55).
Электропневматический преобразователь Уайл-WAS 3000 состоит из герметичной форкамеры, внутри которой расположены фильтр, воздушный модулятор, состоящий из клапанного узла и электромагнитного вибропривода, а также горловины, связанной с выходом модулятора. При этом клапанный узел состоит из двух концентрически расположенных полых цилиндров с одинаковой системой щелей. Причем внутренний цилиндр неподвижен, а наружный подвижный. Подвижный цилиндр с одной стороны связан с упругим элементом с постоянной жесткостью, а с другой с электромагнитным виброприводом. Эти два цилиндра, образуют клапанный узел. Катушка возбуждения, размещенная на подвижном цилиндре и помещенная в магнитное поле зазора магнитопровода, образует электромагнитный вибропривод (движитель модулятора).
Суть способа сводится к следующему. В форкамеру подают воздух под давлением и, возбуждая электромагнитный привод внешним управляющим электрическим сигналом, модулируют поток воздуха, дросселируемый через клапанный узел.
Недостаток прототипа состоит в существенном ограничение на генерацию высокочастотных акустических волн, что является следствием следующих причин:
- во-первых, ток возбуждения, приходящий на катушку возбуждения при частоте выше 500 Гц выделяет такое количество тепла, что система охлаждения не обеспечивает достаточный теплосъем;
- во-вторых, отсутствует возможность управления жесткостью механической пружины, что исключает регулируемую настройку резонансного движения подвижного цилиндра клапанного узла;
- в-третьих, отсутствует возможность регулировать (при необходимости) исходное положение подвижного цилиндра к неподвижному в зависимости от программ акустических испытаний;
- в-четвертых, большая масса подвижного цилиндра из-за связанности его с механической пружиной (упругим элементом).
Технический результат предполагаемого изобретения состоит в устранении перечисленных недостатков прототипа, что приводит к расширению частотного диапазона генерации звуковых волн.
Технический результат указанного изобретения достигается следующим образом. Генерацию звука для испытаний конструкций обеспечивают посредством дросселирования сжатого воздуха через щелевой воздушный модулятор с изменяемой собственной частотой колебаний, управляемый с помощью вибропривода, при этом изменение собственной частоты модулятора осуществляют изменением жесткости его упругой подвески, а перемещение подвижной части модулятора осуществляют за счет нескольких синхронно управляемых пространственно разнесенных движителей.
Устройство генерации звука, реализующее предложенный способ содержит герметичную форкамеру, внутри которой расположены фильтр, щелевой воздушный модулятор, состоящий из электромагнитного вибропривода, связанного с блоком возбуждения и клапанного узла с подвижным и неподвижным концентрически расположенными перфорированными цилиндрами, а также горловину, конструктивно соединенную с выходом модулятора. Дополнительно в устройство введены упругая подвеска модулятора с изменяемой жесткостью и механизмом управления исходным положением модулятора и жесткостью его упругой подвески, при этом электромагнитный вибропривод состоит из нескольких электромагнитных движителей, связанных с блоком возбуждения.
Упругая подвеска модулятора с изменяемой жесткостью содержит три кольцевые магнита, расположенные в параллельных плоскостях, причем центральный магнит жестко связан с подвижным цилиндром клапанного узла, а два других жестко связаны с механизмом управления исходным положением модулятора и жесткостью упругой подвески.
Электромагнитный вибропривод устройства генерации звука состоит из двух электромагнитных движителей, расположенных на противоположных концах модулятора.
Достоинства предлагаемого способа генерации звука и устройства, его реализующего, состоят в следующем:
1. Изменяют жесткость упругого элемента и тем самым обеспечивают возможность организации резонансного движения подвижного цилиндра модулятора в области высоких частот изменения внешнего сигнала, приходящего на вход электромагнитного вибропривода модулятора.
2. Снижают величину тока в каждой из катушек возбуждения в два раза (если сравнить с виброприводом той же мощности, построенным на одной
катушке возбуждения) и тем самым уменьшают тепловыделение на каждой из катушек в четыре раза.
3. Увеличивают вдвое поверхности конвективного теплообмена с охлаждающим газом, тем самым дополнительно понижают температуру катушек возбуждения.
4. Уменьшают массу подвижной части клапанного узла, что снижает потребное усилие к его перемещению. Снижение массы достигается за счет замены механического упругого элемента подвижного цилиндра клапанного узла модулятора на регулируемую упругую магнитную подвеску.
Наличие перечисленных выше достоинств, предлагаемого способа генерации звука для испытаний конструкции и предлагаемого устройства обеспечивает расширение частотного диапазона генерации звука в область высоких частот.
На фиг. 1 приведена схема устройства генерации звука, на фиг. 2 приведена электрическая схема управления электромагнитным виброприводом, состоящим из двух синхронно работающих движителей электромагнитного типа. На фиг. 3 приведены амплитудно-частотные характеристики прототипа и предлагаемого устройства генерации звука.
Поясним предлагаемый способ генерации звука на примере устройства, разрабатываемого на его основе и приведенного на фиг. 1. Генератор звука состоит из корпуса форкамеры 1, самого пространства форкамеры 2, в котором размещены фильтр 3, основание магнитопровода первого постоянного магнита 4, первый постоянный магнит 5, крышка первого магнитопровода 6, кольцевой зазор в первом магнитопроводе 7, подвижный цилиндр клапанного узла 8, первая обмотка возбуждения 9, неподвижный цилиндр клапанного узла 10, клапанный узел состоит из деталей 8 и 10. Детали 4, 5, 6 и 9 образуют первую часть электромагнитного вибропривода (первый электромагнитный движитель).
а
Упругая подвеска с изменяемой жесткостью состоит из первого кольцевого магнита 11, второго кольцевого магнита 12, жестко закрепленного на подвижном цилиндре 8 клапанного узла и третьего кольцевого магнита 13. Кольцевые магниты 11 и 13 связаны с устройством перемещения и регулирования жесткости 14. С другого конца модулятора расположена вторая часть электромагнитного вибропривода (второй электромагнитный движитель), состоящая из второго постоянного магнита 15, основания второго магнитопровода 16, крышки второго магнитопровода 17 и второй обмотки возбуждения 18, расположенной на другом конце подвижного цилиндра 8, этот конец подвижного цилиндра 8 входит в кольцевой зазор 19 между основанием второго магнитопровода 16 и крышкой второго магнитопровода 17. Корпус форкамеры 1 соединен с рупором 20, являющимся выходом устройства для генерации звука. Диффузор 21 соединен с крышкой первого магнитопровода 6. Для конвективного охлаждения обмоток возбуждения в крышке первого магнитопровода 6 и основании второго магнитопровода 16 сделаны каналы «».
Способ осуществляется следующим образом (см. фиг. 1). На вход устройства подают газ под давлением. Пропускают его через фильтр 3 в форкамеру 2, ограниченную герметичным корпусом 1. Из форкамеры 2 через клапанный узел, состоящий из деталей 8 и 10, газ подают во внутреннюю полость модулятора (объем, ограниченный внутренним неподвижным цилиндром 10), а затем в рупор 20. Возвратно-поступательное движение подвижного цилиндра 8 осуществляют при помощи электромагнитного привода, состоящего из двух движителей. Один движитель, включающий в себя основание магнитопровода первого постоянного магнита 4, первый постоянный магнит 5, крышку первого магнитпровода 6 и первую обмотку возбуждения 9, входящую в кольцевой магнитный зазор 7 между деталями 4 и 6, располагают на одном конце подвижного цилиндра.
Второй электромагнитный движитель размещают на другом конце модулятора. Этот движитель состоит из второго постоянного магнита 15, основания второго магнитопровода 16, крышки второго магнитопровода 11 и второй катушки возбуждения 18, входящей в кольцевой магнитный зазор 19 между деталями 16 и 17. Катушки возбуждения 9 и 18 наматывают таким образом, что при подаче на них электрического напряжения подвижный цилиндр перемещают в одну сторону.
а
Напряжение на катушки возбуждения 9 и 18 подают от блока возбуждения (см. фиг. 2). Обозначение на фиг. 2 совпадают с обозначением на фиг. 1. На подвижном цилиндре 8 жестко укрепляют центральный кольцевой магнит 12, который располагают между двумя боковыми кольцевыми магнитами 11 и 13. Эти магниты связывают с механизмом управления исходным положением и жесткостью упругой подвески 14. Для управления исходным положением и жесткостью упругой подвески магниты 11,13 перемещают параллельно оси модулятора и изменяют расстояние между ними. Положение магнита 12 полностью зависит от положения магнитов 11, 13. Расстояние между магнитами 11, 13 устанавливают, исходя из требуемой жесткости упругой подвески для получения резонансного движения подвижного цилиндра 8 в конце частотного диапазона изменения тока возбуждения, подаваемого на катушки возбуждения 9 и 18. Охлаждение катушек возбуждения 9 и 18 обеспечивают обдувом сжатым газом, подаваемым в форкамеру 2. Для этого организуют систему каналов «» в крышке первого магнитопровода 6 и основания второго магнитопровода 16.
3
Практическая реализация изобретения предполагает использование неодимовых постоянных магнитов (NFeB) с высокой магнитной энергией (400 кДж/м) и материала магнитопровода типа 49 КФ, обладающих высоким уровнем индукции насыщения (2,2-2,5 Тл).
На фиг. 3 для сравнения приведены амплитудно-частотные характеристики прототипа и предлагаемого изобретения. Из этой фигуры видно, что в результате применения предлагаемого способа частотный диапазон устройства расширен с 500 до 1400 Гц (кривая 1 - характеристика прототипа, кривая 2 - характеристика устройства, созданного по предлагаемому способу).
Преимущество предлагаемого способа подтверждено расчетным путем (см. ниже).
Пусть форма входного возбуждающего электрического сигнала синусоида x=Asinωt. Сила F, действующая на подвижный элемент, равна  где m - масса подвижного цилиндра клапанного узла. Ускорение движения подвижного цилиндра, получим дважды продифференцировав форму (путь движения) входного сигнала, т.е.  где А - амплитуда колебаний (ширина щели в цилиндрах клапанного узла), ω - оборотная частота колебательного движения.
м
м
2
2
Таким образом, сила изменяется по закону F=m⋅Aωsinωt, а экстремальное значение этой силы равно F=mAω.
Указанная сила создается электромагнитным виброприводом согласно закону Ампера и равна  где
В - индукция в магнитном зазоре,
l
- длина одного витка обмотки катушки возбуждения,
n - число витков,
Isinωt - ток в обмотке возбуждения.
Экстремальное значение электромагнитной силы равно
м
э
Из равенства сил.F и F получим
п
Будем считать ω - оборотная частота перемещения подвижной части клапанного узла прототипа. Индекс «п» означает принадлежность к прототипу.
В предложенном устройстве при наличии двух катушек возбуждения, ток в каждой из них будет в два раза меньше, чем в прототипе:
п
I=0,5I.
п
2
За счет введения магнитной пружины вес подвижного цилиндра клапанного узла по отношению к прототипу снижен в три раза с 239 г. до 80 г.: m=0,33m. С учетом того, что при управляемой магнитной подвеске, пружина будет отсутствовать и ее масса не будет участвовать в движении, то при неизменных остальных параметрах  это позволяет увеличить частоту вибрации в 1,73 раза и снизить тепловыделение P=IR в каждой катушке возбуждения в четыре раза, при этом увеличив теплосъем в двое. Это позволяет увеличить общий ток возбуждения в 1,6 раза и тем самым увеличить частоту в 2,2 раза  т.е. если прототип электропневматический преобразователь фирмы Уайл типа WAS 3000 обеспечивал модулирование потока газа с частотой 500 Гц, то только за счет разделения тока на две части и исключения механической пружины, частоту модуляции без увеличения магнитного потока в магнитном поле щели магнитопровода, можно повысить до 1100 Гц. При современных магнитных материалах типа неодим и магнитной стали марки 49 КФ увеличение магнитного потока в щели по сравнению с прототипом может достичь практически на 20%, что позволит повысить частоту модуляции до 1200 Гц
0
0
воз
воз
воз
0
Амплитудно-частотная характеристика колебательной системы клапанного узла, состоящего из подвижного цилиндра и упругих элементов, при постоянном гармоническом возбуждении зависит от ее резонансных свойств. Собственная частота колебаний системы определяется как  где m - масса подвижной части клапанного узла, с - жесткость управляемой магнитной подвески. Если бы колебания системы были на одной частоте со, тогда идеальным случаем является работа модулятора вблизи резонанса на частоте ω=ω со слабым демпфированием. В этом случае возбуждающая сила, а значит и ток I, были бы существенно снижены. За резонансом амплитудно-частотная характеристика падает, перемещение подвижной оболочки зависит от величины массы m и тока возбуждения I, необходимого для поддержания постоянным перемещения. При этом I должен увеличиваться, как было показано выше, пропорционально квадрату частоты. Модулятор работает в определенном диапазоне частот, поэтому необходимо иметь возможность изменять ω.
р
В частности, для расширения частотного диапазона работы необходимо увеличить соо так, чтобы резонанс находился в высокочастотной части требуемого рабочего диапазона частот и частота резонанса со для определения ее оптимального значения регулировалась в некоторых пределах (частота резонанса  где n<1 есть относительный коэффициент затухания).
воз
0
При этом демпфирование должно быть таким, чтобы при постоянном токе возбуждения I перемещение подвижной части клапанного узла 8 было по возможности постоянным во всем рабочем диапазоне частот. Для увеличения ω необходимо увеличить жесткость управляемой магнитной подвески.
Амплитудно-частотные характеристики электропневматического преобразователя Уайл WAS 3000 и устройства, создаваемого по предложенному способу, приведены на фиг. 3 описания изобретения. Из приведенного графика видно, что частотный диапазон модуляции газового потока может быть увеличен до 1000-1400 Гц. Причем до частоты 1000-1100 Гц за счет рационального распределения тока по двум катушкам возбуждения, что эффективнее организует тепловыделение и теплосъем в электромагнитном приводе, а далее за счет возможности настройки резонансного движения подвижного цилиндра клапанного узла.
Дальнейшее повышение частоты может быть достигнуто при снижении амплитуды перемещения подвижного цилиндра клапанного узла, т.е. за счет снижения ширины щелей в клапанном узле. Это возможно, т.к. на высоких частотах требуется меньшая мощность акустического излучения.
Резюмируя вышесказанное, следует подчеркнуть, что совокупность известных и дополнительных операций представляет собой новый способ, который позволяет расширить частотный диапазон генерируемого звука.