Сухарьков О.В.

Одесская национальная академия связи им. А.С. Попова

Энергетика низкочастотного жидкоструйного преобразователя

В звукоподводной связи особое внимание уделяют проблеме увеличения дальности действия излучающих гидроакустических антенн. Для решения этой проблемы перспективно использовать рупорные антенны, в которых в качестве основных элементов служат низкочастотные жидкоструйные преобразователи со ступенчатым препятствием [1, 2]. Целью данного доклада является экспериментальное исследование энергетических характеристик низкочастотного (0,2…5кГц) жидкоструйного преобразователя [3] с круговым щелевым соплом в виде соосных дисков.

Рассмотрим механизм звукообразования данного излучателя (рис. 1а).

а) б)

Рисунок 1 – Модифицированный жидкоструйный преобразователь: а – физическая модель, б – фотография излучателя на просвет при оптимальном режиме его работы

Затопленная струя, вытекающая из кругового щелевого сопла, образованного соосными дисками корпуса 1 и обтекателя 6, формируется в плоскую осесимметричную струю 5 в форме кольцевой пластинки [4]. Геометрическими параметрами кольцевой струйной пластинки являются радиус ее внутреннего края , ширина и толщина . В корпусе 1 излучателя выполнена кольцевая проточка, форма поперечного сечения которой близка к квадрату. Ступенчатое препятствие 3 (прямоугольный клин) способствует тому, что часть кинетической энергии струи за счет эффекта Бернулли расходуется на формирование в проточке корпуса 1 первичного тороидального вихря 2. В центре вихревой области 2 создаются условия для развития кавитации. Пульсации тороидального вихря 2 возбуждают изгибные колебания кольцевой струйной пластинки 5 на собственной частоте. Можно сказать, что в рабочей зоне излучателя образуется своеобразная резонансная система, состоящая из упругой кавитирующей среды внутри проточки корпуса 1, кольцевой струйной пластинки 5 и присоединенной массы внешней среды. Эта резонансная система и обеспечивает обратную акустическую связь, навязывая струе автоколебания со стабильной частотой [5]. Оптимальный режим гидродинамического звукообразования, при котором генерируется тональный акустический сигнал максимального уровня, соответствует совпадению частоты пульсаций вихря 2 с частотой основной гармоники изгибных колебаний струйной пластинки [4]. Причем вблизи зоны звукообразования акустический сигнал высокой интенсивности представляет собой волну конечной амплитуды [6].

Работа жидкоструйного излучателя сопровождается периодическим (с частотой основного тона звука) выбросом содержимого кавитационной области 2 во внешнюю среду. При этом создается вторичная тороидальная область 4, в которой происходит коллапс кавитационных пузырьков. В окружающей жидкой среде генерируются микроударные волны, что приводит к усилению интенсивности генерируемого акустического сигнала. Максимальный радиус зоны гидродинамического звукообразования можно оценить по фотографиям излучателя при оптимальном режиме его работы (рис. 1б).

Экспериментальные исследования энергетических характеристик жидкоструйного преобразователя проводились в акустическом бассейне со звукопоглощающими стенками. В качестве рабочей жидкости использовалась водопроводная вода, которая для установления равновесного газосодержания предварительно отстаивалась в течение трех недель. Кинетическая мощность жидкоструйного излучателя, настроенного на максимальный уровень акустического сигнала, определялась по формуле

, (1)

где – радиус сопла излучателя; – ширина щели сопла; – плотность жидкости; – скорость струи при оптимальном режиме работы излучателя.

Калиброванный пьезокерамический гидрофон устанавливался в зоне линейного затухания экспоненциального импульса [2]. Далее принятый сигнал поступал на электронный вольтметр и анализатор спектра для измерения интегрального уровня и частоты основной (низшей) гармоники.

У рассматриваемого преобразователя [3] отношение размера зоны звукообразования к длине волны основной гармоники составляет величину, значительно меньшую единицы. Поэтому такой излучатель с достаточной степенью точности можно аппроксимировать источником звука нулевого порядка (монополем), создающим сферические расходящиеся волны в неограниченной жидкой среде. С учетом этого для оценки интенсивности генерируемых излучателем акустических волн использовалась формула

, (2)

где – эффективное значение звукового давления, измеренное гидрофоном; – скорость звука в невозмущенной водной среде. Для излучателя с параметрами: мм; мм; мм; м/с считалось, что относительная интенсивность акустического сигнала будет . С этой величиной сравнивались значения при переменных , , и .

Акусто-гидродинамический КПД излучателя напрямую зависит от того, насколько близка скорость струи к оптимальной , при которой собственная частота струйной пластинки совпадает с частотой пульсаций двухфазной области 2. Поэтому очень важно исследовать зависимость уровня интегрального звукового сигнала, генерируемого жидкоструйным преобразователем, от геометрических и гидродинамических параметров плоской осесимметричной струи. Во всех экспериментах излучатель настраивался на максимальный уровень сигнала подбором оптимальной скорости истечения жидкости из сопла.

Установлено, что с увеличением толщины струйной пластинки для достижения максимального уровня акустического сигнала, необходимо повышать расход рабочей жидкости. Однако с возрастанием увеличивается также площадь кругового щелевого сопла, что в итоге приводит к уменьшению оптимальной скорости и кинетической мощности струи. Кроме того, удельная масса единицы поверхности затопленной струи с увеличением ее толщины также существенно возрастает.

а) б)

Рисунок 2 – Зависимости уровня (а) и интенсивности (б) сигнала, генерируемого жидкоструйным излучателем, от относительной толщины струйной пластинки: 1 – мм, 2 – мм, 3 – мм

Обнаружено (рис. 2а), что увеличение толщины кольцевой пластинки для каждого параметра приводит к практически линейному уменьшению уровня звукового сигнала. Объяснение этого факта следует искать в физических свойствах струйной пластинки: с увеличением толщины и возрастанием удельной поверхностной массы существенно повышается ее инертность. Это, наряду с уменьшением кинетической мощности излучателя, ведет к уменьшению его акусто-гидродинамического КПД а, следовательно, к снижению интенсивности сигнала (рис. 2б).

а) б)

Рисунок 3 – Зависимости оптимальной скорости (а) и кинетической мощности (б) плоской струи от ширины кольцевой струйной пластинки:

1 – мм, 2 – мм, 3 – мм

Доказано (рис. 3), что, вне зависимости от радиуса сопла излучателя, каждому конкретному значению параметра соответствует некоторое значение . Однако с увеличением ширины струйной пластинки от 2 до 6 мм оптимальную скорость струи для всех излучателей необходимо практически линейно повышать примерно от 24 до 37м/с (рис. 3а). При этом, согласно выражению (1), ее кинетическая мощность и энергетические затраты на работу преобразователя будут возрастать пропорционально (рис. 3б).

Оказалось, что увеличение ширины пластинки для каждого значения радиуса ее внутреннего края ведет к значительному повышению как интегрального уровня (рис. 4а), так и интенсивности (рис. 4б) акустического сигнала. Установленные закономерности находятся в полном согласии с возрастанием кинетической мощности (рис. 3б) и акусто-гидродинамического КПД излучателя.

а) б)

Рисунок 4 – Зависимость уровня (а) и интенсивности (б) сигнала, генерируемого жидкоструйным преобразователем, от ширины кольцевой струйной пластинки: 1 – мм, 2 – мм, 3 – мм

а) б)

Рисунок 5 – Зависимость уровня (а) и интенсивности (б) акустического сигнала от скорости струи, нормированной к оптимальной: 1 – мм, м/с; 2 – мм, м/с; 3 – мм, м/с

Как уже было показано, максимальный уровень акустического сигнала достигается при оптимальной скорости струи . Для исследуемого преобразователя [3], подобно жидкоструйным прямоточным излучателям [2], изменение этого параметра позволяет регулировать частоту основного тона генерируемого звука. Полученные зависимости энергетических характеристик от скорости струи (рис. 5) имеют резонансный характер. Рабочие скорости потока жидкости для жидкоструйного излучателя с щелевым соплом в виде соосных дисков ограничены диапазоном значений от до .

В заключение следует отметить, что проведенная оптимизация параметров жидкоструйного преобразователя с круговым щелевым соплом в виде соосных дисков позволяет эффективно использовать его в качестве основного элемента низкочастотных гидроакустических антенн.

Литература:

1. Сухарьков О.В. Гидроакустическая излучающая рупорная антенна на основе жидкоструйного преобразователя / О.В. Сухарьков // Акустичний вісник. – 2011. – 14, № 1. – С. 56 – 63.

2. Сухарьков О.В. Передача дискретной информации в гидроакустический канал связи с использованием жидкоструйных преобразователей / О.В. Сухарьков // Цифрові технології. – 2011. – № 9. – С. 100 – 110.

3. Сухарьков О.В. Жидкоструйный излучатель со ступенчатым препятствием и круговым щелевым соплом в виде соосных дисков / О.В. Сухарьков // Наукові праці ОНАЗ ім. О.С. Попова. – Одесса. – 2010. – № 1. – С. 102 – 108.

4. Сухарьков О.В. Энергетические характеристики затопленной кольцевой струйной пластинки при наличии развитой кавитации / О.В. Сухарьков // Акустичний вісник. – 2010. – 13, № 2. – С. 45 – 52.

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. 16 – 23.

6. Amabili M. Review of Studies on Geometrically Nonlinear Vibrations and Dynamics of Circular Cylindrical Shells and Panels, with and without fluid-structure interaction / M. Amabili, M. P. Paїdoussis // Appl. Mech. Rev. – 2003. – 56, N 4. – P. 349 – 381.