ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Исследование работы стержневых излучателей из "Источники мощного ультразвука " В 2 этой главы рассматривался вопрос об изменении длины ячейки струи, и там указывалось, что частота генерации с увеличением расстояния между отражающей стенкой и скачком монотонно убывает. Здесь мы рассмотрим несколько подробнее, как влияют параметры настройки и конструктивные размеры излучателя на частоту генерации. Будем считать, что частота зависит главным образом от упомянутого расстояния и в меньшей степени — от изменения скорости распространения импульса возмущения при изменении противодавления, так как эта скорость в основном определяется скоростью звука [см. формулу (13)] и сравнительно мало зависит от скорости потока. [c.78] Прежде всего остановимся на влиянии параметров настройки. На рис. 54 показаны кривые зависимости частоты излучателя от расстояния сопло—резонатор. Вторым изменяющимся параметром является глубина резонатора к. При измерениях расстояние сопло—резонатор и глубина резонатора изменялись через 1 мм-, на приводимых графиках для большей четкости показана лишь часть полученных кривых. [c.78] Так как при заданной глубине резонатора величина противодавления изменяется мало, то при перемещении резонатора в пределах зоны нестабильности (с учетом удлинения ее по сравнению со свободной струей) частота снижается почти линейно. Изменение глубины резонатора при малых значениях параметра I сильнее влияет на частоту генерации, чем при больших (когда I к). Приведенные графики соответствуют непрерывному изменению расстояния от скачка уплотнения до отражающего донышка, причем это изменение происходит как за счет непосредственного удаления донышка от сопла (увеличение расстояния сопло—резонатор при постоянном значении глубины резонатора), так и вследствие перемещения самого скачка в пространстве между соплом и резонатором (при изменении параметра к). [c.78] Влияние параметров / и на частоту весьма наглядно проявляется в зависимости от расстояния между срезом сопла и дном резонатора I к = А). [c.79] Рассмотрим эту зависимость для излучателя, изображенного на рис. 55. Вертикальная линия, проведенная при каком-либо значении Л, соответствует режиму работы генератора при неизменном расстоянии от сопла до донышка отражателя. При этом частота излучения определяется в основном изменением давления в резонаторе [при рассмотрении графиков распределения давления (рис. 50) указывалось, что уменьшение параметра /гвызывает снижение давления у отражаюш ей стенки] наоборот, увеличение глубины резонатора при неизменном положении его донышка по отношению к соплу приводит к повышению давления. [c.79] Таким образом, при увеличении глубины резонатора наблюдается рост противодавления, оказываемого втекаюш ей струе, что, с одной стороны, приводит к удалению скачка от донышка резонатора, а с другой—к некоторому увеличению скорости распространения возмуш,ения, вследствие чего результируюш,ее увеличение времени прохождения возмущения от скачка до стенки и обратно представляет сложную функцию от к. Поэтому частота генерации снижается нелинейно. При уменьшении глубины резонатора наблюдается обратное явление — частота излучения повышается. [c.79] Пока глубина резонатора меньше или равна расстоянию сопло—резонатор, расположение ска йка по отношению к соплу практически не меняется. Но когда параметр к начинает превышать величину I, распределение давления по глубине резонатора изменяет свой первоначальный характер (рис. 50, г ш д) ж зона максимального значения давления перемещается к входному отверстию резонатора. Это эквивалентно тому, что зона заторможенного газа находится теперь не только у донышка резонатора, а распространяется на большую часть резонансной камеры в последней возникает неподвижная воздушная подушка . [c.80] На рис. 56 приведены кривые зависимости частоты генерации от параметра I для излучателя с теми же значениями с сИ ст, что и для генератора, частотные характеристики которого изображены на рис. 54. Разница состоит лишь в том, что вместо резонатора диаметром 13 мм был установлен резонатор диаметром 19 мм. Увеличение параметра. ЙГ от 1 до 1,46 привело к существенному снижению частоты генерации это можно объяснить увеличением количества заторможенного в резонаторе воздуха, а следовательно, и увеличением противодавления и связанного с этим изменением времени распространения возмущения. [c.81] Очевидно, что при уменьшении длины ячейки (путем сокраш ения диаметра сопла или увеличения диаметра стержня) область изменения параметров настройки, при которых возможно возникновение генерации, сужается. Как видно из графиков рис. 58, для режима работы излучателя, при котором А о = 10 мм, срыв генерации наблюдается для малых значений параметра h (при которых сильно деформировать ячейку не удается) при I 14—15 мм (А = 18 мм). Для излучателя с диаметром сопла 10 мм и der = 7 мм (рис. 59), у которого для режима свободной струи А 0=8,7 мм, генерация прекращается для dp =15 мм уже при 1=12 мм А = 13—14 мм), а для d = 17 мм еще раньше — при I = 11 мм. Интересно отметить, что для больших значений параметра h (когда 4 1,5А о) возможен срыв генерации и при малых величинах параметра I. [c.82] На рис. 54 наряду с экспериментальными данными приведены две расчетные зависимости, полученные на основании этой формулы. [c.84] Если конструктивные параметры I, к, с, и йр выражены в мм, а скорость звука в м1сек, то частота получается в кгц. Сравнение данных, полученных с помощью указанной формулы, с экспериментальными частотными характеристиками показало хорошее соответствие результатов для различных диаметров сопел (ошибка лежит в пределах точности таких измерений). [c.85] Чтобы завершить рассмотрение влияния различных факторов на частоту возбуждения газоструйного излучателя, следует еще остановиться на влиянии рабочего давления. Мы уже отмечали, что длина ячейки увеличивается с повышением давления в сопле. Физически это связано с тем, что при увеличении скорости истечения вне сопла возникшие возмущения (см. гл. 1) все сильнее сносятся потоком и волны разрежения пересекаются со стержнем все дальше от сопла. Однако напрашивающееся объяснение повышения частоты при увеличении давления приближением скачка к резонатору при проверке оказалось ошибочным. Как показали измерения, в случае струи, деформированной резонатором, при изменении давления(в отличие от свободной струи) положение скачка не меняется, но зато сильно изменяются распределение давления за скачком и его абсолютные значения. [c.85] При неизменном положении донышка по отношению к срезу сопла увеличение давления приводит к снижению величины статического давления перед скачком, повышению скорости перед ним (Мх) и соответственно снижению дозвуковой скорости (Мг) за скачком. Поэтому влияние скорости потока на скорость распространения возмущений снижается и период осцилляции [см. формулу (13)] сокращается. Таким образом, частота звука при повышении давления растет вследствие увеличения средней скорости распространения возмущений. [c.85] Измерения частотных характеристик мы проводили в основном при давлении Р = 3 ати, однако некоторые контрольные опыты были сделаны при меньших и при больших давлениях воздуха. Полученные частотные зависимости удовлетворительно объясняются механизмом генерации, рассмотренным ниже. [c.85] Действительно, при однократном пробеге возникшего импульса сжатия последний, отразившись от жесткой стенки, возвращается к скачку без изменения фазы. Такой импульс не может усиливать колебания с периодом т, так как он приходит в противофазе с колебаниями самого скачка. На мягкой границе возмущение изменяет фазу на 180° и после отражения вновь движется к резонатору, но уже в виде импульса разрежения. После отражения от жесткой стенки импульс приходит к скачку с той же фазой, что и колебания самого скачка, поэтому усиливаются колебания скачка, совершающиеся с частотой х. Для таких частот коэффициент усиления может быть больше единицы, и возникновение автоколебательного процесса оказывается возможным. [c.86] До некоторой степени этот механизм возникновения колебаний в струе напоминает процесс возбуждения звука в органной трубе (как его излагает А. А. Харкевич [29]), только в нашем случае имеют место нелинейные колебания газа с появлением движущихся скачков, интенсивность которых ограничивается лишь потерями в среде и при отражении от границ, а также излучением в окружающее пространство. [c.86] Вычисленная величина очень близко совпадает с экспериментально полученным значением частоты (/э). [c.87] Проведенные сопоставления опытных и расчетных значений частоты показали, что формула (70) позволяет с достаточной точностью вычислять частоты генерации на основании измеренных значений параметра В, т. е. расстояния между стационарным скачком и донышком резонатора. При ориентировочных расчетах в ряде случаев изменением скорости распространения возмущения из-за движения среды можно пренебречь и считать Сср с. [c.87] Таким образом, резонансная гипотеза удовлетворительно объясняет ход частотных характеристик излучателя, а также срывы генерации и отклонения от линейного изменения частоты на краях рабочего диапазона. Однако механизм звукообразования пока остается невыясненным. Предположительная картина возникновения звуковых колебаний, основанная на анализе ряда работ зарубежных авторов, а также проведенных нами скоростных киносъемок осцилляции струи (частота излучения 1,1 кгц, частота съемки до 10 тыс. кадров в секунду) и мгновенных теневых ее фотографий, сводится к следующему. Зарождение случайных колебаний в стационарном скачке, возникшем при торможении сверхзвуковой струи (торможение препятствием в виде резонатора), приводит к появлению в пространстве между этим скачком и донышком резонатора слабых пульсаций. Если рассматривать резонатор и часть струи до скачка уплотнения как некоторую резонансную трубу с одной жесткой и одной мягкой границами, то можно предположить, что возмущения, соответствующие собственной частоте такой четвертьволновой трубы, будут со временем усиливаться вплоть до появления нелинейных колебаний и ударных волн умеренной интенсивности. Эксперименты на трубах с двумя жесткими стенками [74, 75] показали, что возникновение разрывов (при возбуждении колебаний поршнем) наблюдается уже через 8—10 циклов. В трубе с одним открытым концом, возбуждаемой сверхзвуковой струей, переходный процесс составляет всего 3—4 цикла [39]. Теоретически нарастание колебаний в закрытой трубе рассмотрено в работах [75, 76] для открытой трубы со струйным возбуждением такие исследования, по-видимому, не проводились, хотя в работе [39] приводятся некоторые ориентировочные расчеты. [c.87] Вернуться к основной статье