Низькочастотний гідродинамічний перетворювач

Реферат: Низькочастотний гідродинамічний перетворювач належить до гідроакустики і може бути використаний при створенні низькочастотних перетворювачів малих розмірів, що працюють в діапазоні частот (50…700) Гц і дозволяють забезпечити дальність дії та завадостійкість цифрового зв'язку між підводними об'єктами. Низькочастотний гідродинамічний перетворювач має діаметри ступенів перешкоди 0,16-0,32 і 0,84-0,98 від внутрішнього діаметра кругової щілини, а торець ступеня більшого діаметра розташований відносно торця сопла на відстані, яка дорівнює 0,28-0,36 від внутрішнього діаметра кругової щілини, при цьому зовнішній діаметр торця корпусу складає 1,50-1,75 від внутрішнього діаметра кругової щілини, обтічник має конусно-циліндричну форму, причому кут між конічною поверхнею обтічника й циліндричною поверхнею корпусу дорівнює 13°30', а відношення висоти циліндричної частини обтічника до ширини щілини сопла становить 3,94-4,06. Технічним результатом винаходу є оптимізація геометричних параметрів перетворювача. UA 113230 C2 (12) UA 113230 C2 UA 113230 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до гідроакустики і може бути використаний при створенні низькочастотних перетворювачів малих розмірів, що працюють в діапазоні частот (50…700) Гц і дозволяють забезпечити дальність дії та завадостійкість цифрового зв'язку між підводними об'єктами. Відомі перетворювачі електромагнітного типу, які генерують сигнал в діапазоні частот (50…700) Гц [1]. Недоліками відомих низькочастотних перетворювачів [1] є: дороге високовольтне обладнання, що включає складні силові електронні генератори; великі масогабаритні розміри; необхідність системи компенсації гідростатичного тиску при зануренні випромінювачів на глибину більше 30 м; відносно висока добротність (Q=15…30) перетворювачів, яка знижує завадостійкість сигналу і сприяє його спотворення в приймальній апаратурі зв'язку. Відомий гідроакустичний перетворювач, який використовує в своїй роботі енергію водяного молота і дозволяє генерувати тональний сигнал в діапазоні частот (50…700) Гц [2]. У ньому гідравлічна ударна хвиля переміщує поршень, який викликає коливання резонансної системи з сильфона та діафрагми, які з'єднані між собою за допомогою кільця. Недоліками відомого низькочастотного перетворювача [2] є: великі масогабаритні розміри; відносна складність конструкції та експлуатації; повна втрата працездатності при збільшенні глибини більше 100 м внаслідок підвищення жорсткості і виникнення втомних явищ у діафрагмі і сильфоні, а також внаслідок витоку стисненого повітря в системі компенсації гідростатичного тиску. Найбільш близьким технічним рішенням, вибраним як прототип пропонованого перетворювача, є низькочастотний гідродинамічний перетворювач [3], який містить корпус і встановлений в ньому обтічник, що утворюють між собою колове щілинне сопло, і який має в торці сопла східчасту циліндричну перешкоду, діаметри ступенів якої складають 0,47-0,54 та 0,92-0,96 від внутрішнього діаметра кругової щілини, а торець ступеня більшого діаметра розташований відносно торця сопла на відстані, яка дорівнює 0,47-0,52 від різниці діаметрів ступенів перешкоди. Даний перетворювач розроблений з метою збільшення кавітаційної активності струменя й підвищення інтенсивності коливань при витіканні струменя зі швидкістю, що близька до критичної швидкості. Недоліками відомого низькочастотного гідродинамічного перетворювача [3] є: недостатньо високий рівень тонального сигналу, що генерується в діапазоні частот (50…700) Гц; значні масогабаритні розміри; конструкція конусного щілинного сопла, яка не забезпечує формування кільцевого струменя заданої товщини, що знижує рівень і стабільність звукового сигналу. Поставлена задача підвищення рівня тонального акустичного сигналу, що генерується в діапазоні частот (50…700) Гц, удосконалення конструкції низькочастотного гідродинамічного перетворювача та оптимізації його геометричних параметрів. Технічним вирішенням поставленої задачі є те, що низькочастотний гідродинамічний перетворювач, що містить корпус і встановлений в ньому обтічник, які утворюють між собою колове щілинне сопло, та має в торці сопла східчасту циліндричну перешкоду, перетворювач виконано так, що діаметри ступенів перешкоди складають 0,16-0,32 і 0,84-0,98 від внутрішнього діаметра кругової щілини, а торець ступеня більшого діаметра розташований відносно торця сопла на відстані, яка дорівнює 0,28-0,36 від внутрішнього діаметра кругової щілини, при цьому зовнішній діаметр торця корпусу складає 1,50-1,75 від внутрішнього діаметра кругової щілини, обтічник має конусно-циліндричну форму, причому кут між конічною поверхнею обтічника й циліндричною поверхнею корпусу дорівнює 13° 30', а відношення висоти циліндричної частини обтічника до ширини щілини сопла становить 3,94-4,06. На Фіг. 1 представлено запропонований перетворювач. Низькочастотний гідродинамічний перетворювач містить: циліндричний корпус 3 і конусно-циліндричний обтічник 4, що утворюють між собою колове щілинне сопло; східчасту циліндричну перешкоду 5, яка встановлена в торці сопла; штуцер 1 для підведення робочої рідини; контргайку 2. Як акустична модель даного перетворювача запропоновано модель автоколивань зануреної циліндричної струминної оболонки [4]. Робота перетворювача здійснюється наступним чином. При включенні насоса робоча рідина подається по штуцеру 1 в колове щілинне сопло. З сопла з регульованою швидкістю витікає струмінь, який являє собою занурену циліндричну струминну оболонку. Згідно з моделлю [4] оболонка жорстко затиснена на торці сопла та обмежена східчастою перешкодою 5, а її нижня підстава є вільною. Частина кінетичної енергії струменя витрачається на формування в кільцевій проточці перешкоди 5 первинного вихору, всередині якого створюються умови для утворення парогазових кавітаційних бульбашок. Зі збільшенням концентрації каверн тиск усередині кільцевої проточки зростає, досягає критичного значення, після чого настає 1 UA 113230 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 деформація вільного краю струминної оболонки та викид вмісту кавітаційної зони в зовнішнє середовище. При цьому нижче перешкоди 5 за рахунок в'язкісного тертя утворюється вторинна кавітаційна область, в якій відбувається колапс парогазових каверн. Після цього тиск у внутрішній порожнині оболонки стає менше гідростатичного тиску в незбуреному середовищі, що знову призводить до виникнення первинного вихору. Надалі процес періодично повторюється. Частота пульсацій первинного вихору залежить від швидкості струменя на виході з сопла. При оптимальній швидкості струменя Voпт, коли частота пульсацій вихору збігається з власною частотою струминної оболонки, генерується тональний акустичний сигнал максимального рівня. Таким чином, робоча зона перетворювача являє собою своєрідну резонансну систему, що складається з внутрішньої пружної кавітаційної зони, струминної оболонки та приєднаної маси рідини. Ця резонансна система й забезпечує зворотний акустичний зв'язок та стабільну частоту автоколивань струминної оболонки [5]. Для запропонованого низькочастотного гідродинамічного перетворювача проведена оптимізація геометрії кільцевої проточки східчастої перешкоди 5, як місця локалізації пульсуючого кавітаційного вихору. Встановлено, що тональний звуковий сигнал максимального рівня генерується в тому випадку, коли діаметри ступенів перешкоди 5 складають D 1=(0,160,32)D3 і D2=(0,84-0,98)D3, де D3 - внутрішній діаметр кругової щілини сопла (див. Фіг. 1). При цьому торець ступеня більшого діаметра розташований відносно торця сопла на відстані, яка дорівнює h1=(0,28-0,36)D3. Виконання зовнішнього діаметра торця корпусу D4=(1,50-1,75)D3 дає змогу зменшити негативний вплив супутнього потоку рідини (який рухається паралельно осі перетворювача) на високошвидкісний струмінь, що коливається. Це сприяє підвищенню рівня і стабільності тонального низькочастотного сигналу, що генерується. У запропонованому перетворювачі конічна частина щілинного сопла переходить в циліндричну частину, що забезпечує формування струминної оболонки заданої товщини перед обтіканням нею східчастої перешкоди. Така конструкція сопла дозволяє істотно підвищити рівень і стабільність тонального сигналу, а також зменшити габарити і масу випромінювача. При цьому задана продуктивність перетворювача зберігається. Кут між конічною поверхнею обтічника 4 і циліндричною поверхнею корпусу 3 перетворювача φ=13°30. Конічні сопла з таким кутом мають найбільші коефіцієнти витрати та швидкості в широкому діапазоні чисел Рейнольдса, і близькі за гідродинамічними характеристиками до коноїдальних сопел [6]. Для перетворювача, який заявляється, експериментально встановлено, що залежність рівня тонального сигналу від висоти h2 циліндричної частини обтічника 4 має екстремальний характер. Вона приймає максимальне значення при величині h2=(3,94-4,06) δ, де δ - ширина щілини колового сопла (товщина струминної оболонки). Конкретний приклад роботи запропонованого низькочастотного гідродинамічного перетворювача в порівнянні з перетворювачем [3], що вибраний як прототип. Експериментальні дослідження акустичних властивостей випромінювачів проводилися у гідроакустичному басейні при постійному гідростатичному тиску Р ст=105 кПа. Робочою рідиною служила водопровідна вода, яка для встановлення рівноваги газовмісту відстоювалася протягом трьох тижнів. Апаратура реєстрації та аналізу акустичних сигналів, що надходили від каліброваного гідрофону, включала в себе вольтметр, осцилограф, аналізатор частотного спектра типу СЗЧ. Гідрофон встановлювався в зоні прямого звуку випромінювачів. Для уточнення частоти основного тону (нижча гармоніка) звукового сигналу використовувався частотомір, на вхід якого надходив електричний сигнал з виходу будь-якого третинооктавного фільтра СЗЧ. Випробовувалися низькочастотні гідродинамічні перетворювачі з однаковими внутрішнім діаметром сопла D3=25,5 мм та шириною щілини сопла δ=0,5 мм (Фіг. 1). Параметри перетворювача [3], згідно з А. с. 481327 СРСР, мали наступні значення: D1=12,9 мм; D2=24,0 мм; h1=5,5 мм. Геометричні параметри запропонованого низькочастотного гідродинамічного перетворювача брали значення: D1=6,2 мм; D2=23,0 мм; D3=8,2 мм; D4=41,4 мм; φ=13°30'; h2=2,0 мм. На Фіг. 2 представлені фонограма (Фіг. 2, а) та відповідна їй спектрограма (Фіг. 2, б) акустичного сигналу перетворювача [3] (прототип), що працює в оптимальному режимі. На Фіг. 3 представлені фонограма (Фіг. 3, а) й відповідна їй спектрограма (Фіг. 3, б) запропонованого гідродинамічного перетворювача, що генерує імпульсний звуковий сигнал при оптимальному режимі його роботи. Встановлено, що перетворювач [3] при оптимальній швидкості струменя Voпт=34 м/с генерує інтегральний сигнал з величиною звукового тиску Р ак=11,5 кПа і частотою основного тону f1=550 2 UA 113230 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Гц, рівень якої становить 35 Дб. Однак основна гармонійна складова f 1 перевищує другу гармоніку f2 всього лише на 5 Дб, а третю гармоніку f 3 на 11 Дб (Фіг. 2, б). Запропонований гідродинамічний перетворювач при оптимальній швидкості струменя Voпт=40 м/с генерує звуковий сигнал з частотою основного тону f 1=470 Гц, рівень якої досягає 48 Дб. При цьому інтегральний сигнал більш ніж в два рази перевищує рівень сигналу перетворювача [3] і становить Рак=25 кПа. Даний факт підтверджує порівняння представлених фонограм на Фіг. 2,а й Фіг. 3, а. Що стосується частотного спектра, то у запропонованого перетворювача основна гармоніка f1 перевищує другу гармоніку f2 на 14 Дб, а третю гармоніку f 3 на 23 Дб (Фіг. 3, б). Аналогічні результати були отримані для запропонованого перетворювача, який генерував тональний звуковий сигнал з частотами f 1=350 Гц та f1=690 Гц. При цьому основна гармоніка f1 також перевищувала другу гармоніку f 2 на 14-15 Дб. Перевагами запропонованого низькочастотного гідродинамічного перетворювача є: висока енергоємність (відношення потужності випромінювання до маси), здатність перетворювача ефективно працювати на глибині до 240 м, незначні масогабаритні характеристики й простота в експлуатації [7]. Запропонований перетворювач, на відміну від перетворювачів інших типів, не вимагає системи компенсації гідростатичного тиску при його зануренні на глибину більше 30 м. У цьому випадку для компенсації надлишкового статичного тиску необхідно на певну величину підвищити оптимальну швидкість струменя. Перевагою гідродинамічного перетворювача, що заявляється, в порівнянні з перетворювачами електромагнітного типу є його низька добротність (Q=3…7). Це дозволяє відтворювати практично без спотворень акустичний сигнал на електричній стороні (у приймальній апаратурі зв'язку) [8, с. 132-133]. Таким чином, з вищевикладеного випливає, що заявлений низькочастотний гідродинамічний перетворювач забезпечує досягнення технічного результату, що полягає у підвищенні рівня тонального акустичного сигналу, який генерується в діапазоні частот (50…700) Гц, удосконаленні конструкції перетворювача та в оптимізації його геометричних параметрів. Розроблений низькочастотний гідродинамічний перетворювач можна рекомендувати для використання в гідролокації, в акустичній томографії океану, при вивченні будови океанічного дна, а також для геологорозвідки морського шельфу. Джерела інформації: 1. Низкочастотная акустика океана / ИПФ РАН.-2005 // web: http:// www.ipfran.ru/structure/buklet/r3.pdf 2. Pat. USA, МПК' H04R 1/00. Acoustic energy source utilizing the water-hammer phenomenon / Davis B.W. - Cl. 181-0.5 H, N 3, 690, 403, 12.IX. 1972. 3 3. A. c. 481327 СССР, МКИ В 06 В 1/20. Гидродинамический преобразователь / А.В. Кортнев, Э.Б. Колтынюк, В.П. Муравьев, А.Ф. Назаренко, В.В. Самойленко (СССР). - № 1916203/18-10; заявл. 11. 05. 73; опубл. 25. 08. 75, Бюл. № 31. 4. Дудзінський Ю.М. Модель прямоточного гідродинамічного випромінювача з кільцевим соплом і східчастою перешкодою / Ю.М. Дудзінський, О.В. Сухарьков, Н.В. Манічева // Акустичний вісник. - 2004. - 7, № 3. - С. 49-54. 5. Вовк И.В. О возможном механизме автоколебаний в струйных гидродинамических излучателях с развитой кавитацией / И.В. Вовк, В.Т. Гринченко, Ю.М. Дудзинский // Акустичний вісник. - 2008. - 11, № 2. - С. 15-23. 6. Большаков В. А. Гидравлика / В.А. Большаков, В.Н. Попов. - К.: Вища школа, 1989.-216 с. 7. Иваницкий A.M. Акустические свойства прямоточных жидкоструйных преобразователей / A.M. Иваницкий, О.В. Сухарьков // Современный научный вестник. - Белгород, Россия - 2014. № 18 (214). - С. 62-68. 8. Ультразвук: Маленькая энциклопедия / [науч. ред. Голямина И.П. и др.]. - М.: Советская энциклопедия, 1979. - 400 с. 50 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 55 60 Низькочастотний гідродинамічний перетворювач, що містить корпус і встановлений в ньому обтічник, які утворюють між собою колове щілинне сопло, та має в торці сопла східчасту циліндричну перешкоду, який відрізняється тим, що діаметри ступенів перешкоди складають 0,16-0,32 і 0,84-0,98 від внутрішнього діаметра кругової щілини, а торець ступеня більшого діаметра розташований відносно торця сопла на відстані, яка дорівнює 0,28-0,36 від внутрішнього діаметра кругової щілини, при цьому зовнішній діаметр торця корпусу складає 1,50-1,75 від внутрішнього діаметра кругової щілини, обтічник має конусно-циліндричну форму, причому кут між конічною поверхнею обтічника й циліндричною поверхнею корпусу дорівнює 3 UA 113230 C2 13°30', а відношення висоти циліндричної частини обтічника до ширини щілини сопла становить 3,94-4,06. 4 UA 113230 C2 Комп’ютерна верстка О. Рябко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5