Гідростатичні струминні гідродинамічні випромінювачі для звукових технологій (стр. 3 )

(8)

Амплітуда коливань вільного краю оболонки нижче резонансу:

. (9)

Таким чином, для розрахунку амплітудно-частотних характеристик струминних можна скористатися вираженнями (7) нижче резонансу й (9) – вище резонансу, відповідно. При цьому резонансне настроювання ГДВ відповідає частоті основного тону (нижча в спектрі) за формулою:

. (10)

У підрозділі 2.2 проведено аналіз отриманих теоретичних результатів. Зокрема, проведено оцінку механічних властивостей внутрішньої області розвинутої кавітації: щільність й пружність двофазного середовища (рідина з парогазовими пухирцями), вміст рідини в двофазному середовищі. Також теоретично оцінено вплив геометричних параметрів (середній радіус, довжина й товщина) струминної оболонки на частоту основного тону генерованого акустичного сигналу й на амплітудно-частотні характеристики (за акустичним тиском) струминних ГДВ.

Проаналізовано вплив властивостей рідини й статичного тиску на частоту основного тону сигналу й на АЧХ (за акустичним тиском) даних випромінювачів. Розрахунки показують, що в діапазоні в обох рідких середовищах нижча власна частота струминної оболонки змінюється приблизно в 8 разів.

Теоретично прогнозовано можливість плавного регулювання частоти звуку в широких межах завдяки регульованому статичному тиску в робочій ємності.

В третьому розділі представлено результати експериментальних досліджень по генеруванню звуку струминними гідродинамічними випромінювачами при наявності зони розвинутої кавітації. Для експериментів був розроблений і змонтований лабораторний стенд, що дозволяє моделювати умови роботи струминних ГДВ на глибині або в технологічному устаткуванні за допомогою регулювання статичного тиску й температури в незбуреному середовищі (підрозділ 3.1).

На першому етапі було проведено експерименти по дослідженню залежності частоти генерованого акустичного сигналу від геометричних параметрів й швидкості кільцевого струменя, від гідростатичного тиску й властивостей рідини (підрозділ 3.2). На всіх наведених графіках точки відповідають результатам вимірів, суцільні лінії – теоретичні розрахунки, або апроксимація експериментальних даних.

а б

Рис. 2. Залежність частоти основного тону від геометричних параметрів струминної оболонки (а), від швидкості стру­меня (б):

1 – для води; 2 – для трансформаторного масла

На рис. 2а представлено залежності частоти основної гармоніки акустичного сигналу, генерованого струминними ГДВ, від співвідношення довжини й середнього радіуса струминної оболонки. При цьому встановлено, що частота знижується зі зростанням як довжини, так і середнього радіусу в діапазоні .

Проведено дослідження залежності частоти звуку, генерованого струминними ГДВ обох типів, від властивостей рідини й швидкості зануреного струменя. Використовувалися дві робочі рідини: вистояна водопровідна вода й трансформаторне масло. Доведено, що при використанні вуглеводної рідини частота основної гармоніки акустичного сигналу вище, ніж для води за однакових інших параметрів. Міцність на розрив у трансформаторному маслі нижче й, відповідно, модуль пружності струминної оболонки менше, ніж в воді. З іншого боку, через істотно більшу в'язкість трансформаторного масла необхідна більша швидкість струменя для створення умов розвинутої кавітації усередині первинного вихору (рис. 2). Тому товщина олійного струменя зменшується, а з обліком меншої, у порівнянні з водою, густиною помітно знижується питома маса одиниці поверхні струминної оболонки. Другий фактор вносить більший вклад у підвищення частоти , у порівнянні з параметром .

Було встановлено, що зі зростанням швидкості струменя частота генерованого акустичного сигналу суттєво знижується (рис. 2б). Це значно виділяє розглянуті джерела звуку у порівнянні з ГДВ інших типів, які генерують звук у відсутності кавітації. При занадто низьких значеннях відсутня кавітація в зоні між соплом й відбивачем (рис.1), внаслідок чого припиняється процес гідродинамічного звукоутворення. Якщо швидкість потоку значно підвищити, кавітація має місце в каналі сопла, внаслідок чого руйнується структура струминної оболонки й генерується шум з широкою смугою частот. Показано, що одною з особливостей розглянутих гідродинамічних випромінювачів є обмежений робочий діапазон швидкості струменя в каналі сопла.

Також частота основного тону генерованого акустичного сигналу залежить від надлишкового статичного тиску у герметичній ємності. Можливо плавно підвищити частоту майже на порядок шляхом плавного збільшення статичного тиску (рис. 3а). Зі зростанням збільшується модуль пружності струминної оболонки і підвищується її власна частота. При цьому необхідно збільшувати оптимальну швидкість струменя для створення умов розвинутої кавітації всередині струминної оболонки (рис. 3б). Було досягнуто плавного регулювання частоти сигналу майже на порядок.

а б

Рис. 3. Залежності частоти основного тону звуку (а) і оптимальної швидкості струменя (б) протиточних ГДВ від статичного тиску для різних радіусів струминної оболонки.

Проведено дослідження амплітудно-частотних характеристик (за акустичним тиском) струминних ГДВ (підрозділ 3.3). В експериментах змінювалися геометричні і гідродинамічні параметри струминних оболонок: радіуси, довжина й товщина струминної оболонки, швидкість струменя на виході із сопла, гідростатичний тиск у герметичній ємності. Робочі рідини – вистояна протягом трьох тижнів вода й трансформаторне масло.

а б

Рис. 4. Амплітудно-частотні характеристики (а), добротність (б) ГДВ при роботі: 1 – в водопровідній воді; 2 – в трансформаторному маслі

На рис. 4а точками представлено результати вимірювань залежності рівня сигналу від частоти коливань вигину кільцевого струменя, де – середній радіус струминної оболонки. При цьому у всіх випадках підтримувалася приблизно однакова товщина й установлювалася оптимальна довжина оболонки, що відповідає максимальному рівню генерованого звуку на резонансній частоті. Для порівняння на рис. 4а показано відповідні теоретичні залежності амплітуди коливань вигину струминної оболонки (лінії). На рис. 4б показано залежність добротності випромінювачів від середнього радіуса струминної оболонки. Добротність ГДВ із збільшенням середнього радіуса оболонки істотно знижується, наближаючись до значення . Аналіз АЧХ (за акустичним тиском) і добротності даного джерела звуку виявило більші значення й при роботі в мінеральному маслі, у порівнянні з водою, за інших рівних умов.

У підрозділі 3.4 наведено результати експериментальних досліджень енергетичних характеристик акустичних полів, генерованих зануреними струминними оболонками.

Спочатку було вивчено вплив геометричних параметрів струминних оболонок на рівень й інтенсивність сигналу. Ріст залежностей рівня й інтенсивності сигналу від радіуса меншої підстави струминної оболонки (рис. 1а) обумовлений збільшенням витрати рідини й, відповідно, кінетичної потужності кільцевого струменя (рис. 5). У рідині з більшою в'язкістю (трансформаторне масло) інтенсивність звуку трохи менше у зв'язку з більшою дисипацією енергії пружних хвиль у внутрішню енергію середовища.