文章:然斯康波达机电设备(深圳)有限公司
关键词：波达,超声；Hartmann哨；发声效率,发生器
波达流体动力式发声器具有诸多r的特点，如它的结构比较小，而且简单方便，不但可以直接在流体中产生强声，而且造价低等。常见的这类发声器有Hartmann哨、簧片哨、旋涡哨、单孔喷注旋转阀和多孔喷注旋转阀等。如何改善流体动力式发生器的声学特性，提高发声强度和转化效率以满足各种特殊要求，一直是相关研究的重点。本文试图在Hartmann哨(以下简称H哨)前加上另外一种流体哨——旋涡哨，使其射流流场发生改变，进一步使声场发生变化，以期得到一种发声效率较高的流体发声器。
Hartmann哨和旋涡哨简介H哨工作原理如图1所示，高速气流以超声速从喷嘴喷出时，在喷嘴与共振腔之间的局部压力产生周期性的起伏，如图中的虚线所示。周期性的压力分布是由于气流速度超过该气体中的声速而产生的。在每一个压力极小到下一个压力极大之间(即图1中的a1b1、a2b2等)是不稳定区。当把共振腔腔口置于不稳定区时，可激发起强烈的声波，其中第一个不稳定区是发声最有效的区域。放置在这一区域的共振腔会产生独特的张弛振动，在振动过程中，气体在过剩压力作用下周期性地进入共振腔，然后又从共振腔排出，其振动频率(即所辐射声波的频率)由共振腔的尺寸确定。Hartmann哨的共振腔体共振频率经验公式为
(1)
式中c为声速，h为共振腔深度，d为喷嘴及共振腔的直径。
旋涡哨基本结构如图2所示，包括一个有圆形截面的管(腔体)，气体或液体沿切向射入管中，由于高速射流迅速地转动而产生旋涡，若让这些转动的气体从一个开孔逸出，则会产生声波。当气体作为介质时，旋涡哨的频率与压力、哨的尺寸之间的关系为
(2)
其中
f为频率，
a为一个小于1的常数，
c为声速，
D为管的直径，
p1为进气口压力，
p2为排气口压力。
旋涡哨加工方便，结构简单，牢固耐用，是很有前途的一种共振哨。目前已用于冷却工业，水和燃油的雾化等，但因应用不广，尚未被重视，对其发声机理研究很少，故目前换能器效率还很低。现在只知道出口直径与入口直径之比应为2:1，出口管的长度等不宜太长或太短，尚不知其最佳值。用液体来激发声波时，声强很弱，效率更低。
3 实验方案
3.1 发声器结构
H哨的结构图如3所示，喷嘴形状设计为渐缩形，以有效减小对射流的阻滞效应。谐振腔为圆柱形，腔口边缘有一定厚度，在0.8~1.4mm之间，可有效防止空气射流对其冲击而产生的边楞音。喷嘴直径和共振腔直径一致。喷嘴和谐振腔通过一个四周揩油窗口的圆管相连。实验设计频率为20kHz，并由式(1)设计相关尺寸，共有4组Hartmann哨，如表1所示。
表1 Hartmann哨的几何尺寸参数表
|
编 号 |
1# |
2# |
3# |
4# |
|
d(mm) |
1.2 |
1.6 |
2.0 |
2.4 |
|
h mm) |
4.5 |
3.8 |
3.6 |
3.4 |
旋涡哨的尺寸为：气流入口直径
d1为6mm，出口直径
d2为10mm，圆柱形腔体直径
D为120mm，高度为30mm。
实验中将旋涡哨的气流出口直接与Hartmann哨的气流入口相连，每一种H哨分别与旋涡哨相连，组成四种组合稍，其结构如图4所示。
3.2 实验流程
实验流程如图5所示。 空气压缩机实验所需提供高压气流，通入到体积为1.5m
3的稳压储气罐；气压计和流量计用于监测流体发生器入口端的气流压力和流量；声级计用来接收声信号并测量声压级；将声级计输出的交流信号输入示波器和频率计，可监测信号波形和频率。
为了减小地面反射声的影响和避免测量声信号受哨子出口气流的干扰，把声级计放在离地高度1.2m，距离哨子1.5m，与哨子轴向夹角45
0的地方来接收。
实验中，通过阀门调节气流压力和流量，同时监测信号波形，当信号波形为较理想的正弦波时，记录发生器产生的声压级和频率及相关流体参数。
4 实验结果
4.1 频率随喷嘴入口压强的变化
实验结果如图6和图7所示。从曲线图可看出，H哨与组合哨的频率随压强的变化都不大。 H哨的频率比组合哨整体偏高，平均分别为在1kHz和2kHz。原因主要是因为本实验所设计的旋涡哨参考频率为7KHz，H哨参考频率为20KHz左右，两个频率相差甚远，没有完全匹配，组合在一起时，频率就会低于高频。若把旋涡哨的圆柱腔体直径减小，根据经验公式(2)，其发声频率将增大，当与H哨频率接近时，复合哨的频率也会相应提高。
4.2 声压级随喷嘴入口压强的变化
实验结果如图8和图9所示。从曲线图看出，不论是H哨还是组合哨声压级随压强的变化没有明显规律，时强时弱。但相同的入口压强下，组合哨的声压级稍高于H哨，即组合哨的发声效率高。
根据
W∝
pe2，，对两种哨声辐射效率的变化情况进行可用式(3)进行估算和比较。以3#H哨和3#组合哨为例，把两种哨的声压级代入式(3)可得发声效率提高比如表2所示。可见，组合哨的发声效率明显高于单独的H哨。再者，不同压强下提高比不同，即从声效率提高比可看出喷嘴入口压强对辐射声效率有一定的影响。
(3)
表2 Hartmann哨与组合哨的声效率提高比参照
|
压强/MPa |
0.20 |
0.22 |
0.24 |
0.26 |
0.28 |
0.30 |
0.32 |
0.34 |
|
H哨声压级/dB |
95.5 |
97.0 |
99.0 |
95.0 |
100.0 |
99.0 |
98.0 |
100.0 |
|
组合哨声压级/dB |
99 |
97.0 |
101.0 |
103.0 |
102.0 |
103.0 |
102.5 |
100.5 |
|
声效率提高比Mη |
1.14 |
0 |
0.58 |
5.31 |
0.58 |
1.51 |
1.81 |
0.12 |
5 结论
a. 当发生器结构与尺寸确定时，入口气压是声压级最主要的决定因素，改变入口气压对哨子的发声频率影响较小。
b. 组合哨中的旋涡哨对来流有一定的动态调节作用。一方面，它起到稳定H哨入口压强的作用，使组合哨在来流压强有小幅涨落的情况下仍有稳定的信号输出。另一方面，它能随喷腔距变化调节H哨喷嘴流速，这增加了有效发声区的长度。
c. 虽然组合哨发声频率比H哨的略低，但产生的声压级整体比单独的H哨高，即发声效率有较大的提高。
总之，与单独的H哨相比，组合哨降低了对来流稳定性的苛刻要求；降低了H哨喷腔距控制的精度要求；增加了信号频率和波形的稳定性，提高了发声效率。在应用上，组合哨可以提供抗干扰性更强，效率更高的稳定声信号输出。
