高效氣動發(fā)聲器的研究與探索2013-02-1816:48

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文章:然斯康波達機電設(shè)備(深圳)有限公司

關(guān)鍵詞：波達,超聲；Hartmann哨；發(fā)聲效率,發(fā)生器

波達流體動力式發(fā)聲器具有諸多r的特點，如它的結(jié)構(gòu)比較小，而且簡單方便，不但可以直接在流體中產(chǎn)生強聲，而且造價低等。常見的這類發(fā)聲器有Hartmann哨、簧片哨、旋渦哨、單孔噴注旋轉(zhuǎn)閥和多孔噴注旋轉(zhuǎn)閥等。如何改善流體動力式發(fā)生器的聲學特性，提高發(fā)聲強度和轉(zhuǎn)化效率以滿足各種特殊要求，一直是相關(guān)研究的重點。本文試圖在Hartmann哨(以下簡稱H哨)前加上另外一種流體哨——旋渦哨，使其射流流場發(fā)生改變，進一步使聲場發(fā)生變化，以期得到一種發(fā)聲效率較高的流體發(fā)聲器。

Hartmann哨和旋渦哨簡介H哨工作原理如圖1所示，高速氣流以超聲速從噴嘴噴出時，在噴嘴與共振腔之間的局部壓力產(chǎn)生周期性的起伏，如圖中的虛線所示。周期性的壓力分布是由于氣流速度超過該氣體中的聲速而產(chǎn)生的。在每一個壓力極小到下一個壓力極大之間(即圖1中的a1b1、a2b2等)是不穩(wěn)定區(qū)。當把共振腔腔口置于不穩(wěn)定區(qū)時，可激發(fā)起強烈的聲波，其中第一個不穩(wěn)定區(qū)是發(fā)聲最有效的區(qū)域。放置在這一區(qū)域的共振腔會產(chǎn)生獨特的張弛振動，在振動過程中，氣體在過剩壓力作用下周期性地進入共振腔，然后又從共振腔排出，其振動頻率(即所輻射聲波的頻率)由共振腔的尺寸確定。Hartmann哨的共振腔體共振頻率經(jīng)驗公式為

(1)

式中c為聲速，h為共振腔深度，d為噴嘴及共振腔的直徑。

旋渦哨基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括一個有圓形截面的管(腔體)，氣體或液體沿切向射入管中，由于高速射流迅速地轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生旋渦，若讓這些轉(zhuǎn)動的氣體從一個開孔逸出，則會產(chǎn)生聲波。當氣體作為介質(zhì)時，旋渦哨的頻率與壓力、哨的尺寸之間的關(guān)系為

(2)

其中f為頻率，a為一個小于1的常數(shù)，c為聲速，D為管的直徑，p1為進氣口壓力，p2為排氣口壓力。

旋渦哨加工方便，結(jié)構(gòu)簡單，牢固耐用，是很有前途的一種共振哨。目前已用于冷卻工業(yè)，水和燃油的霧化等，但因應(yīng)用不廣，尚未被重視，對其發(fā)聲機理研究很少，故目前換能器效率還很低?，F(xiàn)在只知道出口直徑與入口直徑之比應(yīng)為2:1，出口管的長度等不宜太長或太短，尚不知其最佳值。用液體來激發(fā)聲波時，聲強很弱，效率更低。

3實驗方案

3.1發(fā)聲器結(jié)構(gòu)

H哨的結(jié)構(gòu)圖如3所示，噴嘴形狀設(shè)計為漸縮形，以有效減小對射流的阻滯效應(yīng)。諧振腔為圓柱形，腔口邊緣有一定厚度，在0.8~1.4mm之間，可有效防止空氣射流對其沖擊而產(chǎn)生的邊楞音。噴嘴直徑和共振腔直徑一致。噴嘴和諧振腔通過一個四周揩油窗口的圓管相連。實驗設(shè)計頻率為20kHz，并由式(1)設(shè)計相關(guān)尺寸，共有4組Hartmann哨，如表1所示。

表1

Hartmann哨的幾何尺寸參數(shù)表編號1#2#3#4#d(mm)2.4hmm)3.4

旋渦哨的尺寸為：氣流入口直徑d1為6mm，出口直徑d2為10mm，圓柱形腔體直徑D為120mm，高度為30mm。

實驗中將旋渦哨的氣流出口直接與Hartmann哨的氣流入口相連，每一種H哨分別與旋渦哨相連，組成四種組合稍，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3.2實驗流程

實驗流程如圖5所示?？諝鈮嚎s機實驗所需提供高壓氣流，通入到體積為1.5m3的穩(wěn)壓儲氣罐；氣壓計和流量計用于監(jiān)測流體發(fā)生器入口端的氣流壓力和流量；聲級計用來接收聲信號并測量聲壓級；將聲級計輸出的交流信號輸入示波器和頻率計，可監(jiān)測信號波形和頻率。

為了減小地面反射聲的影響和避免測量聲信號受哨子出口氣流的干擾，把聲級計放在離地高度1.2m，距離哨子1.5m，與哨子軸向夾角450的地方來接收。

實驗中，通過閥門調(diào)節(jié)氣流壓力和流量，同時監(jiān)測信號波形，當信號波形為較理想的正弦波時，記錄發(fā)生器產(chǎn)生的聲壓級和頻率及相關(guān)流體參數(shù)。

4實驗結(jié)果

4.1頻率隨噴嘴入口壓強的變化

實驗結(jié)果如圖6和圖7所示。從曲線圖可看出，H哨與組合哨的頻率隨壓強的變化都不大。H哨的頻率比組合哨整體偏高，平均分別為在1kHz和2kHz。原因主要是因為本實驗所設(shè)計的旋渦哨參考頻率為7KHz，H哨參考頻率為20KHz左右，兩個頻率相差甚遠，沒有完全匹配，組合在一起時，頻率就會低于高頻。若把旋渦哨的圓柱腔體直徑減小，根據(jù)經(jīng)驗公式(2)，其發(fā)聲頻率將增大，當與H哨頻率接近時，復(fù)合哨的頻率也會相應(yīng)提高。

4.2聲壓級隨噴嘴入口壓強的變化

實驗結(jié)果如圖8和圖9所示。從曲線圖看出，不論是H哨還是組合哨聲壓級隨壓強的變化沒有明顯規(guī)律，時強時弱。但相同的入口壓強下，組合哨的聲壓級稍高于H哨，即組合哨的發(fā)聲效率高。

根據(jù)W∝pe2，，對兩種哨聲輻射效率的變化情況進行可用式(3)進行估算和比較。以3#H哨和3#組合哨為例，把兩種哨的聲壓級代入式(3)可得發(fā)聲效率提高比如表2所示。可見，組合哨的發(fā)聲效率明顯高于單獨的H哨。再者，不同壓強下提高比不同，即從聲效率提高比可看出噴嘴入口壓強對輻射聲效率有一定的影響。

(3)表2

Hartmann哨與組合哨的聲效率提高比參照壓強/MPa40.260.280.300.320.34H哨聲壓級/dB95.597.099.095.0100.099.098.0100.0組合哨聲壓級/dB9997.0101.0103.0102.0103.0102.5100.5聲效率提高比Mη1.1400.585.310.581.511.810.12

5結(jié)論

a.當發(fā)生器結(jié)構(gòu)與尺寸確定時，入口氣壓是聲壓級最主要的決定因素，改變?nèi)肟跉鈮簩ι谧拥陌l(fā)聲頻率影響較小。

b.組合哨中的旋渦哨對來流有一定的動態(tài)調(diào)節(jié)作用。一方面，它起到穩(wěn)定H哨入口壓強的作用，使組合哨在來流壓強有小幅漲落的情況下仍有穩(wěn)定的信號輸出。另一方面，它能隨噴腔距變化調(diào)節(jié)H哨噴嘴流速，這增加了有效發(fā)聲區(qū)的長度。

c.雖然組合哨發(fā)