Розенберг Л.Д. Физика и техника мощного ультразвука. Книга 1. Источники мощного ультразвука OCR
Подождите немного. Документ загружается.
ла
и
резонатора
и
позволяет
перемещать
их
друг
относительно
друга.
Основные
конструктивные
параметры
генератора,
определяющие
его
час
тоту,
мощность
и
к.
п.
д.,
обозначены
на
рисунке.
Почти
все
исследования
были
проведены
Гартманом
для
системы,
имевшей
диаметр
сопла,
равный
диаметру
резонатора
и
его
глубине,
т.
е.
d
c
= d
p
= h,
поэтому
для
заданного
диаметра
сопла
переменным
парамет
ром
являл
ось
лишь
расстояние
сопло-
резонатор
1.
Прежде
чем
обратить
ся
к
рассмотрению
влияния
каждого
из
указанных
параметров
на
процесс
генерации,
остановимся
несколько
более
подробно
на
выборе
формы
соп
ла,
так
как
в
конечном
итоге
именно
газовая
струя
определяет
режим
ра
боты
газоструйного
излучателя.
R
сожалению,
этот
существенный
вопрос
освещен
в
литературе
очень
плохо
и
экспериментальных
данных
о
зави
симости
излучения
от
типа
сопла
очень
немного.
Рис.
7.
Схема
генератора
Гартмана
/:,
,1,0
г--,---.--~-,---,--.~
o,M~-~--+--~--~~-+----
0,8
0,8
0.5
0,7
Рис.
8.
Коэффициент
расхода
воздуха
;J:ЛЯ
RоничеСЮIХ
и
профилированных
сопел
[191
Гартман
[251,
проведя
сравнительные
испытания
конического
и
двух
типов
цилиндричес:ких
сопел,
и
не
обнаружив
существенного
влияния
фор
мы,
остановился
на
суживающемся
коническом
сопле.
В
дальнейшем
дру
гие
исследователи
применяли
именно
этот
тип
сопла.
Исключение
состав
ляют
свист:ки
констру:кции
Гипроникель
[321,
в
которых
использованы
цилиндрические
сопла.
Мы
уже
знаем,
что
при
достижении
критического
давления
для
сужи
вающихся
и
цилиндрических
сопел
скорость
на
срезе
не
может
превысить
скорость
звука,
поэтому,
казалось
бы,
совершенно
безразлично,
какой
профиль
суживающегося
сопла
будет
использован
в
излучателе.
Однако
это
не
совсем
так.
Для
получения
большой
мощности
излучения
следуf'Т
увеличивать
кинетическую
энергию
струи,
т. е.
увеличивать
массу
газа,
проходящего
через
сопло
в
единицу
времени.
Для
сопла
с
равномерным
распределением
скорости
газа
по
сечению
максимальный
весовой
расход
воздуха
может
быть
вычислен
по
формуле
С,Г
= 0,4
-.~Po
-пг/се-п,(14)
r
То
где
S -
выходное
сечение
сопла,
а
Т
о
-
температура
газа
(ОК).
Но
коэффициент
расхода
~
=GjG
T
,
определяющий
действительный
рас
ход
газа
G
по
отношению
к
теоретическому
С
т
,
для
конических
сопел
не
ра
вен
единице
и
снижается
с
увеличением
угла
внутреннего
конуса
сопла
а
(рис.
8).
Это
объясняется
тем,
что
распределение
скоростей
в
выходном
сечении
при
больших
углах
а
сильно
отличается
от
равномерного.
21
Поэтому
с
увеличением
а
(при
числе
Маха
по
оси
на
срезе
сопла
М
=
1)
ско
рость
сильно
падает
к
краям
и
реальный
расход,
а
следовательно,
и
энер
гия
струи
-
уменьшаются.
Для
получения
более
равномерного
распределения
скоростей
следует
рекомендовать
сопла
с
малыми
углами
а
или,
чтобы
не
делать
их
при
этом
слишком
длинными,
можно
использовать
специально
профилиро
ванные
сопла
[33].:
Образующая
такого
сопла
показана
на
рис.
9;
профиль
его
может
быть
вычислен
по
формуле
(15)
Как
видно
из
рис.
8,
для
такого
профилированного
сопла
S
~
1.
Хотя
указанные
типы
сопел
для
генераторов
Гартмана
почти
не
применя
лись
(исключение
составляет
стержневой
излучатель
Сев
ори
[34 ]),
следу
ет
полагать,
что
их
использование
может
несколько
повысить
мощность
излучения.
Так
как
длина
ячейки
d
o
не
зависит
от
величины
внутреннего
угла
а,
что
было
проверено
нами
на
конических
соплах
с
а=О,
30, 50, 70,
90
и
1200,
частота
излучения
не
зависит
от
профиля
сопла.
~--
/,
Рис.
9.
Образующая
ПРОфll
лированного
сопла
"Увеличение
кинетической
энергии
струи~может~:быть
также
достигнуто
повышением
скорости
истечения
воздуха
(М
>
1)
при
использовании
сопел
Лаваля.
Насколько
нам
известно,
такими
соплами
применительно
к
излучателям
Гартмана
занимался
лишь
Лесняк
(хотя
по
этому
вопросу
имеется
лишь
довольно
краткая
заметка
[35],
эта
работа
представляет
очень
большой
интерес
с
точки
зрения
перспектив
увеличения
мощности
газоструйных
генераторов).
Оценка
излучателей
с
соплом
Лаваля
проводилась
по
величине
звуко
вого
давления
в
конкретных
точках,
однако,
учитывая
сравнительный
характер
исследований
(выходное
сечение
у
сопла
Лаваля
и
конического
сопла
было
одинаковым,
а
частота
излучения
в
обоих
случаях
поддержи
валась
одинаковой),
полученные
результаты
можно
считать
справедливыми
и
для
интегральной
мощности
излучения.
На
рис.
10
приведена
зависимость
интенсивности
звука
на
расстоянии
30
см
от
области
генерации
для
конического
суживающегося
сопла
(кри
вая
1)
и
сверхзвукового,
или
сопла
Лаваля
(кривая
2).
Параметры
гене
раторов:
d
c
= 3
мм,
d
p
= 3,5
мм,
h = 3,8
мм.
Сопло
Лаваля
было
рас
считано
для
числа
Маха
на
срезе
М
= 1,4.
При
давлениях
выше
5
nгjсм
2
рост
излучения
для
конического
сопла
прекращался.
Для
сопла
Лаваля
подобное
явление
при
указанных
давлениях
не
наблюдается,
поэтому,
используя
сверхзвуковые
сопла
при
больших
перепадах,
можно
сущест
венно
увеличить
мощность
излучения.
Здесь
следует
отметить,
что
в
последних
разработках
фирмы
Astro-
sonics Inc.
(США)
этот
принцип
повышения
мощности
излучения
исполь
зован
в
конструкции
стержневого
свистка,
предназначенного
для
рас
пыления
и
сушки
жидких
продуктов
[36].
в
этом
излучателе
сходящеесл
22
коническое
сопло
с
углом
а
=
300
заканчивается
небольшим
диффузором,
позволяющим
получить
на
срезе
М
= 1,5.
Вторая
основная
часть
газоструйных
генераторов
-
резонансная
ка
мера
-
обычно
имеет
цилиндрическую
форму,
причем
материал
резона
тора
существенной
роли
не
играет.
Необходимо
лишь,
чтобы
стенки
резо
натора
были
достаточно
акусти-
чески
жесткими
и
термостой-
./01---,-----.----,-------,....---.
кими.
Здесь
уместно
остановиться
на
сообщении
[37},
в
котором
говорилось,
что
материал
излу
чателя
влияет
на
мощность
из
лучения.
При
сравнительных
измерениях
свистков,
выполнен
ных
из
различных
материалов,
автор
этой
работы
установил,
что
применение
алюминия
и
магниевого
сплава
АМ
-5
позво
лило
получить
звуковое
давле
ние,
превышающее
на
15
дб
на
'"
~
"
40
~
~
.
.....
~
20
t
2
3
4
5
5
Рис.
10.
Интенсивность
излучения
газоструй
ного
генератора
в
зависимости
от
давления
воздуха
(f
= 18
"гц,
М
= 1,4)
блюдаемое
для
генератора,
вы-
1-
кони:ческое
сопло;
2 -
сопло
Лаваш'!
полненного
из
нержавеющей
стали
1Х18Н9Т,
и
на
10
дб
-
наблюдаемое
для
излучателя
из
латуни
ЛС-59.
Из
этого
можно
было
бы
заключить,
что
и
отдача
генератора
соответственно
увеличивается.
Заинтересовавшись
этим
сообщением,
мы
'проверили
влияние
материа
ла
резонатора
на
общую
мощность
излучения
генератора.
Как
видно
из
рис.
11,
при
одинаковой
частоте
генерации,
обеспеченной
строго
фикси
рованными
параметрами
настройки,
акустическая
мощность
в
пределах
разброса
измерений
не
зависит
от
материала
резонатора.
Такое
влияние
могло
бы
сказаться
лишь
в
том
случае,
если
бы
резонатор
под
влиянием
упругих
волн
в
газе
сам
приходил
в
колебательное
движение.
Wa,dm
500
5
1
8
10
11
12
13
" /'1/'1
Рис.
11.
Мощность
излучения
в
заВIIСИМОСТИ:ОТ мате
риала
резонатора
1-
латунь
ЛС-59;
2 -
ста.:ть
Ст-20;
3 -
;:(юраlIЮМИНИ:Й
,:J:-lб
Полученная
в
работе
[37)
разница
в
величинах
звукового
давления
при
применении
различных
материалов,
по-видимому,
объясняется
тем,
что
приведенные
данные
относились
к
некоторой
фиксированной
точке
поля
и
поэтому
не
могли
характеризовать
общую
мощность
излучения.
(При
действительном
увеличении
среднего
значения
звукового
давления
на
всей
площади
излучения
на
10
дб
мощность
должна
была
возрасти
23
в
10
раз.)
Кроме
того,
возможно,
что
здесь
сыграла
родь
неточность
на
стройки
или
неидентичность
размеров
излучающей
системы.
Чтобы
иметь
возможность
подстроить
систему
на
оптимальный
режим
работы,
в
экспериментальных
излучателях
донышко
резонатора
обычно
делается
передвижным.
В
:конструкциях,
предназначенных
для
практи
ческого
использования,
предпочтительно
изготавливать
резонатор
из
це
лого
куска,
чтобы
избежать
щелей
между
корпусом
резонатора
и
доныш
ком.
В
таких
щелях
из-за
больших
потерь
энергии
на
трение
развиваются
значительные
температуры.
Наши
измерения
показали,
что
при
звуковом
давлении
168
дб
вблизи
резонатора
(для
излучателя,
работающего
на
ча
стоте
6,5
1i:гц)
в
узких
щелях
резонатора
возникают
температуры
до
120-
1300.
Есть
указания,
что
такой
сильный
нагрев
(до
2000)
стенок
трубы
(при
большой
ее
длине)
[38, 39]
связан
с
потерями
энергии
в
движущемся
Рис.
12.
Газоструйный
излучатель
с
кольцевым
вторичным
резонатором
1 -
сопло;
2 -
реЗ0натор;
3 -
ДОПОЛНII
те.:IЬНЫ:Й
p~BOHaTOp
(в
трубе)
скачке
уплотнения,
причем
величина
этих
потерь
достигает
1 %
от
кинетической
энергии
струи.
В
связи
с
этим
нежелательно
использовать
в
качестве
материала
для
резонатора
пластмассы
(например,
плексиглас),
имеющие
низкую
температуру
размягчения.
Прежде
чем
закончить
краткую
характеристику
конструкции
генера
тора
Гартмана,
следует
отметить,
что
в
последних
моделях
излучателей
[40, 41]
применяются
дополнительные,
так
называемые
вторичные
резо
наторы,
выполненные
в
виде
канавки,
концентрически
расположенной
вокруг
среза
сопла
(рис.
12).
Наличие
такого
резонатора
существенно
улучшает
работу
генератора.
Никаких
конкретных
данных
о
наилучшей
форме
вторичного
резонатора
и
механизме
его
действия
авторы
указанных
работ
не
приводят,
поэтому
мы
можем
высказать
лишь
предположение
о
его
возможном
принципе
работы.
Хотя
влияние
дополнительного
резонатора
обычно
состоит
в
усилении
уже
возникших
акустических
lшлебаний,
тем не
менее,
судя
по
размерам
канавки
и
ее
расположению,
по-видимому,
здесь
имеет место
не
усиление,
а
дополнительное
возбуждение
звука,
подобное
происходящему
в
свист
ках
Левавассера.
В
этом
случае
излучатель
как
бы
имеет
два
источника
генерации,
синхронизированных
между
собой,
один
из
которых
усиливает
или
даже
инициирует
работу
второго.
Это
предположение
основано
на
том,
что
при некоторых
режимах
работы
излучателя,
особенно стержне
вого
типа
(о
чем
еще
будет
подробно
сказано
в
гл.
6),
струя
отработан
ного
воздуха
движется
не
в
сторону
резонатора,
как
показано
на
рис.
4,
а
после
взаимодействия
с
резонатором
изменяет
свое
направление
и
обте
кает
сопло.
При
этом
кинетическая
энергия
струи
достаточно
велика,
что
бы
возбудить
акустические
колебания
в
тороидальном
резонаторе,
напри
мер
типа
Гельмгольца
[15].
Необходимо
лишь, чтобы
частота
колебаний
в
обоих
излучателях
была
одинаковой,
а
фаза
подобрана
так,
чтобы
коле
бания
усиливались.
Так
как
вторичные
резонаторы
применяются
обычно
в
стержневых
излучателях
при
d
p
> dc,
когда
поток
воздуха
из
резонато
ра
движется
в
основном
по
направлению
к
соплу,
такой
механизм
работы
вторичного
резонатора
кажется
весьма
правдоподобным.
2<1
Глава
2
МЕТОДЫ
IIСС.JIЕДОВАВИИ
АКУСТИЧЕСКИХ
IIAPAMETPOR
ГАзостРуliвых
ИЗ.JIУЧАТЕ.JIЕII
Прежде
чем
перейти
к
рассмотрению
влияния
различных
параметров
настройки
газоструйного
излучателя
на
его
акустические
характеристи
ки
и
в
первую
очередь
на
излучаемую
мощность
и
к. п.
Д.,
кратко
оста
новимся
на
экспериментальных
методах,
используемых
различными
авто
рами
для
оценки
работы
генератора.
Вследствие
довольно
сложной
картины
звукового
поля,
создаваемого
газоструйным
излучателем,
наибольший
интерес
представляют
те
изме
рения,
которые
позволяют
оценить
общую
излучаемую
мощность.
Однако
подобного
рода
измерения
наталкиваются
на
значительные
трудности,
ибо
стандартные
методы
и
приборы
для
непосредственного
определения
мощности
акустической
волны
в
газовой
среде
отсутствуют.
Ни
калори
метрические,
ни
радиационные
методы,
ПОЗВОJlЯющие
осуществлять
по
добные
измерения,
пока
еще
не
вышли
из стадии
лабораторных
разработок.
Нак
правильно
отметил
в
одной
из
своих
работ
Буше
[2]: « ••.
опреде
ление
акустической
мощности
является
весьма
сложной
проблемой,
по
этому,
приводя
значения
мощности,
полученные
различными
авторами,
следует
отсылать
читателя к
оригинальным
статьям,
так
как
необходимо
непредубежденное
критическое
мнение
читателя
о
методах,
использован
ных
при
измерениях>}.
Ввиду
того,
что
разработкой
и
исследованиями
газоструйных
излучателей
часто
занимаются
организации,
недостаточно
хорошо
знакомые
с
методикой
акустических
измерений,
результаты,
по
лученные
различными
авторами,
оказываются
трудно
сопоставимыми,
а
иногда
и
противоречивыми.
Все
это
затрудняет
выбор
и
наладку
газо
струйных
излучателей,
а
также
вносит
неоднозначность
в
определение
оптимальных
режимов
технологической
аппаратуры.
Интенсивность
звука
1
в
плоской
или
в
сферической
бегущей
волне
на
достаточно
далеком
расстоянии
от
источника
может
быть
выражена
через
эффективное
значение звукового
давления
р,
амплитуду
колебательной
скорости
v
o
,
амплитуду
смещений
А
о
или
радиационное
давление
,11]0:
2
р2
vope
2
1 = - =
-.
- =
2лА
о
f
2
рс
=
5>с,
ре
2
(16)
где
f -
частота
колебаний;
р
-
плотность
среды;
с
-
скорость
звука
в
ней.
Следует
подчеркнуть,
что
указанные
соотношения
справедливы
лишь
при
определенном
типе
поля
и
форме
фронта
звуковой
волны.
Достаточно
сказать,
что
в
стоячей
волне
п,онятием
интенсивности
нельзя
пользоваться,
так
как
энергия
никуда
не
излучается,
а
происходит
лишь
взаимный
об
мен
энергией
между
генератором
и
средой.
При
измерениях
в
ближнем
поле,
определяемом
соотношением
Е
-<
D2jл
(где
D -
эффективный
диа
метр
излучателя,
л
-
длина
волны),
применение
записанных
выше
фор
мул
приводит
К
завышенным
значениям
мощности,
так
как
в
этих
форму
лах
не
учитывается
величина
сдвига
фазы
междУ
звуковым
давлением
и
колебательной
скоростью.
Угол
сдвига
фаз
трудно
измерять,
а
влияние
сдвига
фаз
может
сказы
ваться
достаточно
сильно,
поэтому
необходимо
производить
измерения
в
дальнем
поле
излучателя,
где
cos
ер
= 1,
и,
следовательно,
можно
поль
зоваться
формулой
(16).
Из
перечисленных
величин,
характеризующих
интенсивность
излу
чения,
наиболее
просто
измерять
звуковое
давление,
поэтому
большинст
во
исследователей
ПРОВОДf1Т
измерение
мощности
путем снятия
характе-
25
ристик
направленности
с
помощью
датчиков
звукового
давления
(обычно
пьезоэлектрического
типа).
При
наличии
осевой
симметрии излучения
(а
это,
как
правило,
довольно
хор
ошо
соблюдается)
мощность
может
быть
вычислена
следующим
образом
(рис.
13):
2
1t
W
a
=
~
2лr
2
\
ф2
аs
iпаdа.
ре
J
(17)
о
Здесь
Ро
-
эффективное
значение
звукового
давления
по
оси
излучения
на
расстоянии
r,
а
Ф
(а)
=
Рос/Ро.
Обычно
интегрирование
заменяют
сум
мированием,
вычисляя
энергию,
проходящую
через
сферические
пояса,
расположенные
под
определенными
углами.
Рис.
13.:К
измерению
акустической
мощности
на
основании
характеристики
направленности
в
случае
существенно
несимметричного
поля
(например,
при
располо
жении
свистка
в
дополнительной
цилиндрической
камере,
перпендику
лярно
оси
последней
[28])
необходимо
производить
полное
обследование
поля
излучателя
и,
перемещая
датчик
по
сферической
поверхности,
ин
тегрировать
как
по
углу
а,
так
и
по
углу
В.
Для
проверки
симметричности
поля
и
получения
более
объективных
данных
иногда
проводят
определение
диаграмм
направленности
в
двух
взаимно
перпендикулярных
плоскостях,
причем
при
расчетах
мощности
значения
давлений
в
симметричных
точках
усредняются.
Если
излуча~
тель
работает
с
рефлектором
или
согласующим
рупором,
когда
характе
ристика
направленности
излучателя
достаточно
узкая,
можно
пользо
ваться
методом
измерения
звуковых
давлений
в
плоскости,
перпендику
лярной
оси
излучения
[32].
Так
как
для
снятия
диаграммы
направленности
необходимо,
чтобы
излучатель
создавал
поле
бегущих
волн,
то
правильные
результаты
мо
гут
быть
получены
лишь
при
проведении
измерений
в
открытом
простран
стве
или
в
хорошо
заглушенной
камере.
Исследования
излучателей
боль
шой
мощности,
работающих
в
диапазоне
звуковых
частот,
связаны
с
опре
деленными
трудностями.
В
частности,
при
работе
в
открытом
пространстве
даже
при
использовании
рефлекторов,
обеспечивающих
излучение
звукового
пучка
вертикально
вверх,
и
расположении
излучателя
в
10-
15
м
над
землей,
в
радиусе
100-150
м
возникает
высокий
уровень
шума,
что
затрудняет
проведение
измерений.
Оборудование заглушенной
каме
ры
даже
в
области
высоких
частот
-
трудоемкая
и
дорогостоящая
работа,
поэтому
оба
варианта
создания
бегущего
поля
на
практике
трудно
осу-
26
ществимы
и
многие
исследователи
были
вынуждены
проводить
испытания
в
незаглушенных
помещениях.
Подобные
измерения
не
могут
дать
правиль
ных
абсолютных
величин
мощности
излучения,
ибо
в
таких
условиях
воз
можно
не
только
возникновение
стоячих
волн,
но и
накопление
энергии,
подобно
тому
как
это
происходит
в
реверберационных
(гулких)
камерах.
При
измерениях
в
незаглушенных
помещениях
плотность
энергии,
регистрируемая
звукоприемником,
состоит
из
энергии
прямой
волны
и
энергии
диффузно
отраженного
звука.
В
работе
[42]
выведена
формула
плотности
энергии
в
произвольной
точке
помещения:
W
a
(
1-(i)
Е
=
4лd
2
с
1 +
4х
2
~
;
(18)
здесь
первый
член
в
скобках
характеризует
прямой
звук,
а
второй
-
диффузную
добавку;
а
-средний
коэффициент
поглощения
помещения;
d -
расстояние
от
источника
до
измерительного
устройства,
а
х
=
d/r
-
безразмерная
координата
точки
наблюдения
(r
-
радиус
эквивалентной
-сферы,
поверхность
которой
равна
поверхности
помещения).
Приращение
уровня
интенсивности
(в
дб
относительно
10-16
вт/с.м,2)
за
счет
диффузно
,отраженного
звука
дается
формулой
(19)
:которая
показывает,
что
при
малом
поглощении
(а
~
0,1)
для
реальных
помещений
в
зависимости
от
расстояния
до
точки
измерения
эта
добавка,
<определяющая
в
данном
случае
погрешность
измерений,
может
составлять
'от
2
до
16
дб.
В
работе
[43]
предложен
метод
измерений
в
незаглушенных
помеще
ниях,
позволяющий
учитывать
диффузную
добавку.
Этот
метод
состоит
в
,измерении
среднего
значения
звукового
давления
РХ
в
помещении
на
по
лусфере
радиусом
r,
причем
источник
рас
пол
ожен
на
полу.
Для
ненаправленного
источника
мощность
(в
дб
относительно
нуле
вого
значения
10-13
вт)
может
быть
выражена
[44]
в
виде
УУ
=
Рт
+
10
-10
19
(4~r~
+
~,),
(20)
;где
Рт
-
среднее
значение
звукового
давления,
измеренное
по
сфере
с
радиусом
r
(.м,)
(источник
нахо_дится
в
центре
этой
сферы);
R'
-
постоян-
ная
помещения
(.м,2)
,
R'
=
81
r:J.,
_
[8
-
площадь
ограничивающих
поверх-
-а,
ностей
помещения
(.м,2)].
Эта
добавка
может
дать
большую
или
меньшую
ошибку
в
зависимости
-от
размеров
помещения
и
коэффициента
поглощения,
учитывающего
об
лицовку
стен
и
наличие
мебели
и
оборудования.
В
среднем
она
составляет
2
-3
дб,
что
соответствует
ошибке
определения
мощности
60-100%.
в
случае
направленного
источника
в
указанной
формуле
вместо
1/4лr
2
сле
дует
поставить
Q/4лr
2
,
где
Q -
коэффициент
осевой
концентрации.
Таким
образом,
предложенный
в
работе
[43]
метод
состоит
в
учете
той
добавки,
которую
дают
отраженные
волны
при
проведении
измерений
на
полусфере
в
незаглушенном
помещении.
Для
этого
нужно
определить
а-:
Сделать
это
можно,
определив
время
реверберации
или
использовав
ис
точник
звука
известной
мощности.
В
последнем
случае,
установив
эталон
ный
излучатель
так
же,
как
и
измеряемый,
необходимо
определить
харак
теристику
направленности,
тогда
мощность
W
х
неизвестного
источника
определяется
из
соотношения
(21)
27
где
W
r
-
мощность
эталонного
генератора
(д6);
Рг
-
среднее
значени~
звукового
давления,
измеренного
на
расстоянии
r
от
эталонного
источни-
ка
(д6);
РХ
-
среднее
значение
звукового
давления
на
том
же
расстоянии
r,
но
измеренное
при
работе
источника
неизвестной
мощности.
При
вычис
лениях
следует
помнить,
что
О
w
(вт)
О
р
(бар)
т-v
(д6)
= 1
19
10
16'
а
Р
(д6)
= 2
19
2.10
4 •
Хотя
указанный
метод
требует
использования
дополнительного
источ
ника
или
измерения
тем
или
иным
методом
коэффициента
а,
все
же
он
ка
жется
нам
обещающим,
особенно
когда
отсутствуют
заглушенные
поме
щения.
-3
fIO
·!О
,оор
.J
r---t-------f+-~--+_---+_-___1
300
FV
f
+F
100
О
-F
-4,5
-3
-1,5
О
1,5
.J
~5
8
F,
мм
Рвс.
14.
Влияние
JIзменения
хаРaI~теристики
направленности
на
результаты
IIзмерений
в
некоторых
случаях
изучение
работы
генераторов
проводится
не
в
за
висимости
от
величины
излучаемой
мощности,
а
по
измерениям
звукового
давления
или
плотности
энергии
в
какой-либо одной
точке
звукового
по
ля.
Иногда
эта
точка
выбирается
на
оси
генератора,
а
иногда
-
под
углом
н
ней.
В
данном
случае
важно
не
то,
где
будет
указанная
точка,
а
то,
что
подобный
метод
не
может
дать
количественной
оценки,
а
иногда
даже
ка
чественной.
Это
видно
из
следующего
примера.
При наших
исследованиях
характеристики
направленности
излучателя
ГСИ-4
(о
котором
подроб
нее
будет
сказано
в
гл.
5),
в
зависимости
от
расположения
области
генера
ции
свистка
по
отношению
к
фокусу
параболического
рефлектора,
ока
залось,
что
при
удалении
или
приближении
свистка
к
основанию
парабо
лоида
[кривая
W =
j(F)
на
рис.
14]
акустическая
мощность
практиче
ски
не меняется.
Однако
величина
звукового
давления,
измеренного
на
оси
излучателя,
на
определенном
расстоянии
от
фокуса
рефлектора
меня
ется
весьма
существенно
[кривая
Ро
= f(F)
J.
Поэтому
на
основании
по
следних
измерений
можно
было
бы
заключить
(а
это
противоречит
измере
ниям
полной
мощности),
что
при
помещении
области
генерации
в
фокус
параболоида
акустическая
мощность
увеличиваетсв:
по
крайней
мере
в
2,5
раза,
в
то
время
как
в
действительности
она
(в
пределах
ошибки
изме-
рений)
остается
постоянной.
.
Такое
сильное
расхождение
результатов,
полученных
на
основании
ин
тегрального
и
«точечного>}
методов
оценки
работы
излучателя,
объясня
ется
тем,
что
при
деформации
характеристики
направленности,
получае-
28
мои
перемещением
излучателя
относительно
фокуса
параtюлоида,
глав
ный
лепесток
излучения
может
смещаться
в
сторону
от
оси.
Поэтому
при
расположении
микрофона
на
оси
излучения
кажется,
что
изменяется
и
средняя
интенсивность
звука
на
всей
поверхности.
Здесь
ошибка
«точеч
ногО»
метода
измерений
дана
в
наиболее
грубой
форме
(когда
сознатель
но
сильно
изменяется
характеристика
направленности),
чтобы
более
чет
ко
показать
возможность
появления
неправильных
выводов.
Если
не
учи
тывать подобные
случаи
сильного
изменения
характеристики
направлен
ности
(в
том числе и
из-за
существенного
изменения
рабочей
частоты),
то
следует
признать,
что
при
небольшом
изменении
параметров
настройки
(и,
следовательно,
частоты
генерации)
характеристика
направленности
меняется
не
очень
сильно,
и
на
осно
вании
измерений,
проведенных
в
од
ной
точке
поля,
в
какой-то
мере
мож
но
судить
о
работе
излучателя.
Одна
ко
подобный
метод
настройки
может
быть
рекомендован
лишь
в
качестве
сугубо
ориентировочного.
Количест-
венные
же
зависимости
при
измене-
Воз8р
нии
настройки
генератора
можно
\~.--
__
+-
___
---+.....::3II\Io".
искать,
лишь
проводя
интегральные
измерения
мощности.
Для
проведения
измерений
в
неза
глушенном
помещении
можНо
реко
мендовать
еще
один
метод,
который
--~----
-
--------=-==+-~
называется
методом
«бесконечной»
Рис.
15.
РаДIlометр
для
измерений
трубы
[45).
Так
как
газоструйные
ге-
газоструйных
пзлучателей
нераторы
обычно
работают
на
частотах
не
ниже
3
~гц,
то
подобная
труба
без
поглотителя
должна
иметь
размеры
порядка
10
м.
Чтобы
сократить
ее
длину
(до
1,5-2
М)
и
не
ухудшить
при
этом
акустические
свойства,
мы
использовали
поролоновый
поглотитель,
выполненный
в
виде
клиньев
высотой
200
мм.
В
диапазоне
частот
4-
13
~гц
такой
поглотитель
позволяет
получить
в
трубе
бегущую
волну.
Для
предотвращения
возбуждения
изгибных
волн
в
стенках
трубы
эти
стенки
должны
быть
достаточно
толстыми.
Конструкция
такого
устрой
ства
более
подробно
описана
в
гл.
5.
Перейдем
теперь
к
методам
измерения
других
величин,
характеризую
щих
интенсивность
звукового
поля.
Исследуя
работу
излучателя,
Гарт
ман
пользовался
диском
Рэлея
и
радиометром
[30, 46).
Оба
эти
прибора
позволяют
измерять
величины,
пропорциональпые
интенсивности
или
плотности
звуковой
энергии
Е
[см.
формулу
(16»),
а
именно:
квадрат
ам
плитуды
колебательной
скорости
и
радиационное
давление.
Естественно,
что
при
определении
мощности
излучателя
с
помощью
подобных
приборов
приходится
снимать
характеристику
направленности
так же,
как
это
делается
в
случае
использования
датчиков
давления.
Труд
ности
измерения
плотности
энергии
радиометром
и
диском
Рэлея
связаны
с
те?:',
что
для
получения
достаточной
чувствительности
приборы
должны
быть
тщательно
выполнены
и
отюстированы.
Частотный
диапазон
таких
приборов
довольно
сильно
ограничен:
при
отклонении
размеров
диска
D
от
соотношений
лjD
>10
(для
Д;fСIШ
Рэлея)
и
Djл
=
3-+-7
(для
радиометра)
точность
измерения
существенно
снижается.
Кроме
того,
оба
прибора
очень
чувствительны
к
воздушным
потокам,
поэтому
приходится
принимать
спе
циальные
меры
для
ослабления
влияния
воздушного
потока,
выходящего
из
сопла
генератора.
С
этой
целью
Гартман
проводил
измерения
на
боль
ших
расстояниях
и,
кроме
того,
защищал
чувствительный
элемент
несколь
кими
слоями
плотной
марли;
но
ткань
вносит
дополнительное
затухание,
поэтому
были
проведены
дополнительные
опыты
для
его
определения.
29
Все
это
очень
усложняет
измерения
и вносит
свои
погрешности.
По
этому
в
настоящее
время
изыскиваются
другие
возможности
проведе
ния
подобных
измерений.
Любопытное
решение
предложили
Канак
и
Гавро
[26].
Схематически
их
радиометр
показан
на
рис.
15.
Измеряемый
излучатель
располагается
горизонтально.
Снабженный
параболическим
рефлектором,
он
создает
направленный
пучок,
который
падает
на
плос
кий
отражатель,
расположенный
под
углом
450
к
направлению
волны.
Отразившись
от
рефлектора,
волна
попадает
на
конический
отражающий
элемент
радиометра.
Нагружая
отражающий
элемецт
разновеСRами.
можно
уравновесить
радиометр
и
определить
давление
излуче
ния.
Воздух,
попадая
на
плоский
отражатель,
скользит
вдоль
его
повер
хности
и
не
ОRазывает
влияния
на
датчик
радиометра.
Чувствительный
элемент
радиометра
выполнен
Rоническим
для
того,
чтобы
предотвратить
возникновение
междУ
ним
и
излучателем
стоячих
звуковых
волн.
ТаRОИ
прибор
нечувствителен
R
воздушным
потокам
и
может
быть
выполнен
ме
нее
тщательно,
TaR
RaR
предназначен
для
измерения
общей
мощности.
Од
нако
несмотря
на
эти
преимущества
ШИРОRОГО
применения
он
еще
не
нашел,
вероятно,
потому,
что
его
ПОRазания
существенно
меняются
в
зависимости
от
изменения
хараRтеристики направленности
излучателя.
Были
предприняты
ПОПЫТRИ
использовать
для
измерений
интенсивно
сти
термодатчики,
реагирующие
на
тепло,
выделяемое
в
поглотителе
при
прохождении
аRустичеСRОЙ
волны.
При
этом
применялись
обычные
погло
щающие
материалы
(вата,
войлок)
и
специально
созданные
(медная
фоль
га,
свитая
в
спираль,
нагрев
которой
определялся
наличием
воздушных
зазоров
между
витками)
[30J;
повышение
температуры
контролиро
валось
с
помощью
термопары
или
обьшновенным
термометром.
Прием
ный
рефлектор
позволяет
увеличить
чувствительность
прибора
в
сотни
раз,
причем
чувствительность
повышается
пропорционально
диаметру
зеркала.
Несмотря
на
кажущиеся
простоту и
удобство,
подобные
термо
акустичеСRие
даТЧИRИ
используются
реДRО.
Связано
это
снелинейностью
амплитудной
и частотной
хараRтеристик
применяемых
поглощающих
мате
риалов
(наилучшие
резулыаты
были
получены
с
шерстяной
ватой).
Воз
можно,
что
при
надлежащем
выборе
материала
эти
недостаТRИ
можно
до
неRОТОРОЙ
степени
исправить.
В
настоящее
время
термоакустические
дат
чики
применяются
лишь
в
качестве
индикаторов,
а
не
измерительных
при
боров.
Интересным
методом
измерения
мощности
газоструйных
генераторов
является
определение
амплитуды
колебаний
СRаЧRа
уплотнения
А
о
по
фотографиям
струи.
Если
крайние
пол
ожения
СRаЧRа
обозначить
через
хо
и
ХО
,
то
А
о
=
(22)
Рассматривая
Rолебания,
появляющиеся
в
струе,
RaR
результат
воз
НИRновения
стоячих
волн
при
вэаимодействии
СRаЧRа
с
отраженной
от
дна
волной,
среднее
положение
СRаЧRа
по
отношению
R
ДОНЫШRУ
резонатора
(см.
рис.
5,
где
А
= l +
Iz)
можно
определить
формулой
(23)
Если
известны
частота
излучения,
амплитуда Rолебаний
и
плотность
воз
духа
в
резонаторе
0,00129P~
р=
1+0,00367t
г/с:м
3
,
(24)
30