Физические принципы повышения эффективности низкочастотных акустических излучателей путем компенсации их реактивной нагрузки тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.06 ВАК РФ

РГ6 од

? 8 '"01! АКУСЯ5ЧЕШЯ мелют

,11 »-«М ;ш_г;;аде1СЖ;3 Н.Н.АНДРЕЕВА

из правах руксгксн

УРУСОВСККЙ Игорь Алексеевич

УДК 534.232

ФИЗИЧЕСКИЕ 1ТШЩИТШ ПОБКИЕКИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ НИЗКОЧАСТОТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ИЗЛУЧАТЕЛЕ! ПУТЕМ КЙЖЕКСАЦШ ИХ РЕЛКТШШ НАГРУЗКИ

специальность 01.04.06 - Акустика

Автореферат диссертации на сонскаииа учокоЯ степэнн доктора фкзжо-уатемзтилесгао. наук

Москва 1993

\

и

Работа Бкполнеыз в Акустической институте ки.акздешша Н.Н.Авдреева

Офяциэлыше оппоненты: доктор технических наук

Ю.Я.Борисов доктор физшо-ыатеиатичеслкх наук,профессор

В.П.Докучаев член-корреспондент РАН, ,доктор физико~ыатеиатическиг наук А.В.Николаев

Ведущая организация: институт прикладной физики РАН,

г.Нигнкй Новгород

Эггцита состоится 1993г. в 14 часов нэ заседании

специализированного совета при Акустическом институте по адресу: г.Ыоскез, ул. Шверника, 4

С диссертацией козно ознакомиться в научно-технической библиотеке Акуспгческого института.

Ж' М&Х-гч

Автореферат разослан „СЫС^- 1993Г

Ученая секретарь специализированного

совета, кандидат фаз.-иат.наук А.Пятаков

ОБ'ЦАЯ ХЛРАКТЕРКСТИСЛ. РАБОТЫ

' Лкутуалъиссть теш дассертащш.

Повышение эффективности излучения звука является одной из важных задач акустики. В настоящее время большое значение придается созданию эффективных широкополосных низкочастотных излучателей. Широкополосные .излучатели малых волновых размеров (Ш1ВР) применяются для озвучивания геофизических сред в гидроакустике, атмосферной акустике и для вибросейсмического зондирования. Потребность в повышении КВД и уменьшении громоздкости излучателей в расчете на каяднй ватт излучаемой мощности становится все более актуальной. Требуются эффективные низкочастотные излучатели и для технологических нузщ. Основная трудность создания эффективных широкополосных низкочастотных 123? обусловлена тем, что акустическая мощность ИНВР при заданной амплитуде объемного смещения пропорциональна четвертой степени частоты и резко уменьшается с понижением частота, з то время как реактивная мощность, лимитирующая эффективность, спадает гораздо слабее. При этом реактивная сила и мощность в расчете на хаздй ватт излучаемой энергии неограниченно возрастает. Тема диссертации состоит в поиске путей обхода этой трудности.

Цель работа.

Состоит в , разработке физических принципов . повышения эффективности низкочастотных инрокополосных излучателей путем • уменьшения или устранения реактивных; силовых и энергетических нагрузок на первичный деигэтэль излучателя и способов осуществления этих принципов.' Нау-гаая новизна состоит в сдедуицеы:

Б работе сфзр:.:ул;1ровэно и развито новое тучное направление в гкустпкз низкочастотного излучения - компенсация реактивных силовых к энергетических нагрузок на первичный ддвигатель излучающей системы как метод существенного повышения эффективности 12.ВР. Сформулированы общий физический принцип осуществления такой компенсации и конкретизирующие его 6 частных принципов, на основании которых разработаны соответствующие сиособы компенсации реактивной нагрузки. -

. Найден способ компенсации инерционной и упругой реактивной нагрузки акустических и сейсмических ШВР посредством подходящего фазового сдвига колебаний излучающих поршней, соединенных жесткой механической передачей. "■■•'.

Предложены к теоретически обоснованы .способы уменьшения реактивной нагрузки широкополосного излучателя посредством использования п поршней, разделянцих Бездушный объем излучателя на ■ п последовательно расположенных частей, а танке посредством использования пластинок, насаженных на общий шток, сообщающий колебательное деикениэ пластинкам и излучающему поршню.

Предложен и теоретически обоснован способ устранения . реактивной нагрузки широкополосного поркневого йМВР посредством задержек порзшя в крайних положениях защелками (внутренними силами> с переходом поршня из одного крайнего положения.в другое по закону резонансных колебаний.

Предложены и теоретически обоснованы безреактивные, пневматические сиособы пирохополосного . излучения звука в газообразные и амдкке среды, . существенно уменьшающие кегфсизЕоги?'" тькй расход езгатого воздуха. • - - '

Резэна задача об излучении ЗЕука из перфорированной'трубы, внутри которой распространяется звуковая волна.

Предложены и рассчитаны безреактивные импульсные сейсмические излучатели продольных и поперечных волн.

Предложен ноенй способ расчета собственной я взаимной силы реакции плоских пормней, колеблющихся в плоском местком экране по произвольному закону во времени.

Сила реакции произвольно колеблющегося изл^чаюдего корзня выракена либо только через вещесгвешуи часть юятэдакса поргня, либо только через книмую его'часть.

Научная и практическая значимость.

Результаты работы являются основой для создания --флективных ШЗР для излучения звука в газообразные, жидкие и твердые среды. Часть результатов нашла практическое применение в создают поршневых гидроакустических излучателей со сдвигом з 90° по фазе колебаний меаду кинематически связанными горанями, использованных для геофизических исследований, другая часть была использована при выполнении двух ИКР в Акустическом институте в. 1376 и 1332 гг.

Основные положения, вшюстгые на заг/.ггу.

. I. Общий физический принцип повышения эффективности широкополосных низкочастотных акустических и сейсмических излучателей, состоящий в осуществлении такого ебмекз реактивной энергией между элементами колебательной систем излучателя, при котором штоки реактивной энергии направлены в обход его первичного ДЕигателя.

2. Принципы, являющиеся частными случаями общего и его конкретизирувдие:

а) принцип компенсации- реактивной нагрузи: низкочастотных излучателей, состояла в сдвиге фаз' колебаний мзкзу кинематически

связанными элементами колебательно!! систем излучателя.

б) Принцип уменьшения реактивной нагрузки низкочастотных Езгрокополосных акустических излучателей, состоящий в присоединении к излучающему элементу колебательной система последовательно соединенных элементов с сосредоточенными параметрами и в приложении вынуждающей колебания силы в каждой полосе частот к то;,элементу, для которого реактивная нагрузк-, приходящаяся на заданную акустическую мощность, наименьшая.

в) Принцип уменьшения реактивной нагрузки низкочастотных широкополосных акустических излучателей, состоящий в параллельном соединении с излучающим ■ элементом колебательных систем с распреде лэшшми параметрам!, обладающих еысокой плотностью резонансных частот.

г) Принцип устранения реактивной нагрузки низкочастотных ;:мпульскых акустических излучателей,- состоящий в удерживании излучзг.'дего элемента внутренним по отношению к излучатели силами на заданное время в крайних положениях, соответствующих его наибольшим' смещениям от положения равновесия, и совершении его переходов из одного крайнего положения в другое по закону резонансных колебаний.

д) Принцип устранений реактивной нагрузки низкочастотных :м1ульсных Ревматических излучателей звука, состояний в оптимальном управлении потоками воздуха в них, минимизирующем расход схатого ьоздуха.

е) Принцип устранения реактивной нагрузки низкочастотных импульсных излучателей продольных и поперечных, волн, состоящий в осуществлении взаимного обмена реактивной анергией мезду инерционным л упругими элемента.™ излучателя ВО время его импульсного воздействия на грунт через заданные промежутки

времени.

3. Результата расчета характеристик поля излучателя в виде перфорированной трубы.

4. Новый метод расчета собственной и взг;:?я-:сй силы реакции плоских поршней, колеблющихся в плоском нестком экране по произвольному закону зо времени.

5. Формулы, Еыракахщпэ ему реакшы сроды для любого поршневого излучателя при произвольных колебаниях порсия во времени только через вещественную или мнимую часть его пгледанса.

Апробация работы. 1

Оснозкые результаты докладывались:

- на общеинстлтутском семинаре в Институте Электрогидравликл в г.Николаеве з июне 1989 г.;

- на Всесоюзном семинаре по вибрационному проссвзтиванн:о Ее млн в Геленджике в сентябре .1976 г.;

- на Ученом Совете Акустического института в апреле 1990 г.;

- на Всесоюзной Акустической конференции в июне 1991 г.;

- на семинаре в Институте Прикладной физики РАН в Клянем Новгород? 2 апреля 1993 г.

Личный вклад автора.

° Все представленные к защите работы выполнена только автором диссертации.

Структура работы.

Диссертация состоит из введения, семи глав, трех прн^.скекй, заключения и списка цитированной литературы. ¡Толнкй сСгг« диссертации - 196 стр., включая 32 рисунка и нз 6Э

наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во введении сформулирована тема диссертационной работа, обоснована ее актуальность и кратко излокено содержание диссертации.

■ Б первой главе на основе указанных вше принципов I; и 2а рассмотрена компенсация в широкой полосе частот реактивной нагрузки на первичный двигатель поршневых акустических и сейсмете-ских ИМВР посредством подходящего сдвига фаз кинематически связанных излучающих поршней, в' том числе о учетом влияния взаимной присоединенной массы акустического и взаимной присоединенной упругости сейсмического излучателей.

Зо второй главе ка основе принципов I и 26'рассматривается умонъаониэ реактивной нагрузки широкополосных ИМВР -разделением воздушного объема излучателя на заданное число п отсеков жесткими перегородками с отверстия!,те, закрытыми колеблющимися в них юр'.гнями, при рациональном выборе независимых параметров колебательной системы и приложения вынуждающей силы к тому поршню, для которого в соответственном диапазон» частот.р-эактивная нагрузка наименьшая.

В третьей главе на основе принципов I и 2в исследуется бозмомюсть уменьшения реактивной нагрузки широкополосного поршневого ИМВР посредством использования пластинок, насаженных на об2Ц1й иток, соединяющий их с излучающими поршнем, и обладающих большой плотностью, резонансных частот^

В четвертой главе излагается и теоретически обосновывается реализующий принцип I и 2г метод полного устранения, реактивной нагрузки поршневого импульсного ШЗР' посредством задержек поршня в

крайни положениях внутренними силами с переходом поршня из одного крайнего положения в другое по закону резонансных колебаний; ■анализируются спектральные л корреляционные характеристики таких излучателей, в тог. число при групповом излучении с соответственными задерзскаш во времени мезду излучателями.

В пятой главе излагается и теоретически' обосновывается реализующий принципы I и 2д пневматический способ низкочастотного импульсного излучения звука, при котором расход сяатого воздуха оказывается минимальным при заданной акустической мощности.

В шестой главе излагается и теоретически обосновывается также реализующей принципы I и 2д пневматический способ импульсного излучения звука в жидкую среду соответственным 15,ЗР, минимизируюший • шток воздуха через компрессор, перекачивающий воздух внутри излучателя по зажну тому пневматическому циклу. Рассчитываются КПД излучателя, спектральные и корреляциогпке характеристики излучения. .

В седьмой главе рассмотрено распространение гармонической звуковой волны в жесткой трубе, перфорированной малыми часто расположенными на длине во дня отверстиями, характеристики излучения звука' через перфэрацш, в том числе для перфорированной трубя конечных размеров.

В Приложении'I рассмотрен новый способ расчета собственной и взаимной силы • реакции плоских поршней произвольной Формы, колеблющихся в плоском жестком экране по произвольному временному закону.

.' - В Приложении 2 рассмотрена связь сила реакции среда для излучающего поршня.с его-колебательной скоростью в предаестзунгие моменты времени, рассмотрено представление силы реакции среды для лжбого поршневого излучателя через только■вещественную либо только

мнжую часть импеданса поршня.

Б Приложении 3 описаны безреактивше импульсные сейсмические излучатели продольных и поперечных волн, реализующие принципы I и 2е, и дан расчет их осноекых характеристик.

В Общих выводах сформулированы основные следствия, Еытекакдие из диссертационной работы для акустики низкочастотных излучателей у. расчета их характеристик.

ОСНОВНОЕ СОДЕЕШШЕ РАБОТЫ I. Сформулированы общий физический принцип повышения реактивности ыирокополосных низкочастотных акустических излучателей, состоящей в осуществлении такого обмена реактивной энергией между элементам: колебательной системы излучателя, при катером потока реактивней энергии направлены в обход его первичного двигателя, и весть принципов, являющихся частными случая:« общего и его конкретизирующие.

. Предложен и теоретически обоснован реализующий приншшы I V. способ компенсации инерционной и упругой реактивной нагрузки первичный двигатель акустических и сейсмических излучателей хосредстьок сдвига фаз кинематически связанных излучащих поршней, гесткой механической передачей в виде криво^илно-шзтушого механизма, при разделении воздушного объема излучателя но два отсека жесткой непроницаемой перегородкой. В таком излучателе происходит обмен реактивными энергиями между ггер^шлми, расположенными в разных отсеках. При сдвиге фаз поршней на 90° по механической передаче протекает поток '•.•ергни, необходимый для изменения кинетической энергии, озстьетотьуидей • каэдоку пораню, и потенциальной энергии, согт:-отс?-'.ует,е?. каждому отсеку. Через каждую четверть периода

колебаний направление этого потока меняется на обратное. При это:,! работа на преодоление инерции собственной и присоединенной массы •одного поршня черпается из кинетической энергии другого поршня, расположенного в другом отсеке, а работа на изменение сбьемз одного отсека - из потенциальной энергии другого отсека. Такой обмен энергиям! приводят к устранению реактивной нагрузи! на первичный двигатель излучателя на любой частоте.

Проанализировано влияние взаимной присоединенной массы акустического и взаимной присоединенной упругости сейсмического излучателя на реактивную нагрузку и дан способ их компенсации посредством относительно небольшого сдвига фаз колэбаий поршней. Геометрическое условие, при ' котором реактивная нагрузка устраняется, состоит в требовании, чтобы на Фазовой плоскости равнодействующая векторов, длины которых пропорциональны парциальным реактивным энергия;,1 составных частей колебательной системы, а фазовые углы равны удвоенны,! сдвигам фаз для этих частей, обращалась в нуль. Исследовано влияние негармоничности колебаний поршней гидроакустических излучателей с 90°-кым сдвигом фаз колебаний на декомпенсацию реактивной нагрузки. Показано, что можно устранить влияние взаимной присоединенной массы на реактивную нагрузку посредством подходящего поршня холостого хода, в том числе "сравнительно небольшой массы, колеблющегося внутри корпуса излучателя со сдвигом фазы колебаний на 90° относительно колебаний взаимной присоединенной массы. Дан расчет собственных и взаимных присоединенных масс для совокупности пар поршней, колеблющихся в ггестксм плоском и цилиндрическом экранах.

3. Исследованы реактивные нагрузки составных излучателей, воздушный объем которых разделен зке отними перзгородками, имексгга отверстия, закрытые колеблю¡цигаюя в них порзнягя, на ззданиез

числэ п последовательно расположенных отсеков. Получено в виде обрывездесся цепных дробей решение система уравнений, описывающей . колеСагам поршней излучателя. Показано, что такой излучатель по.'.е::.:о п резонансных частот имеег еще п(п-1)/2 частот, на которых реактивная мощность колебаний соответственных поршней также исчезает. Показано, что для такого излучателя в соответственных диапазонах частот имеется возможность прикладывать вынуждающую силу к тему поршню, для которого реактивная нагрузка наименьшая при той кэ акустической мощности. При этом.реализуются принципы I и 25. Проведен учет сил еязкого трения в зазорах направляющих на акустическое излучение составного излучателя. Получена' оценка влияния перетекания воздуха через зазоры поршней при их колебаниях и влияния коночных волновых размеров изхучателя на;.его работу. . Найдены условия, при которых это влияние мало. > '

4. Предложен реализующий принципы I и 2в многирезонаненнй. пор~-23вой КМЗР со встроенная внутрь него пластинками,-, соединенными с поршнем штоком (см.рис.Х), 'характеризующийся большой плотностью резонансных частот и позволяющий эффективно излучать зеук одновременно в больном числе узких частотных полос вблизи ьтих резонансных частот. Рассчитано из^учеыге звука -таким излучателе;,; с одной встроенной пластинкой; найдена его частотная. характеристика. Показано, что присоединение пластами ■•'• к излучающему поршню добавляет к основной, частоте колебаний поршня -дискретный ряд резонансных частот.. При этом для достаточно тонкой • пластинки в представляющем интерес • низкочастотном диапазоне оказывается достаточно много собственных, частот ее колебаний, поскольку он;' пропорциональны толщине пластинки. Показано, что-в'" каэдем промегутке меаду двумя соседними собственными частотамиколебаний пластинки находится по одной резонансной частоте рассмат-

Рис.1

1 - излучающий поршень

2 - подпоршневой воздушный

объем.

3 - переходная камера . 4 - шток

5 - мембрана' 5 - корпус излучателя 7 - пластинки, скрепленные со. штоком и пэрннем

ризаемого излучателя, а число за' мзтно выракенных пиков частотной характеристики излучателя равно числу собственных колебаний пластшш!, для которых диссишативные силы нэзелзпш по сравнении с реактивными, что для частот, на которых радиационные потери определяют основную часть диссипации энергии, выполняется .при рЗгш/(2т1;си)<1, рзгы3/(21сХ)<1, где и - круговая частота, з -площадь поршня, а - сумма его собственней и присоединенной масс, Е - упругость воздушного объема излучателя, р - плотность окрухазощей среды, о - скорость

звука в ней.,.''..'

;. Смещение поршня под действием силы i(u) имеет вид:

К-1 аеа-п&г--

1

- t

(I)

где х - коэффвдиент,трения поршня, ,

/ 0(^Ъ> -гад; |Ф(х°,Уо)

- ; ортонормированные ' собственные пластинки, удовлетворяющие'Уравнениям:-

(2)

функции колебаний

3(1-Цг)

= о, и.п = 0,1,;

.и нормировочным 'соотвопвшям:';

б

г) Ti

О tH

u-н

. а

5

а >х

о

\ а: el X

о

11" s

4

tí

г ь о

Р

о

»X о

о c¡,

и о

а. ь

о а

С-1

ni о.

«á

КЗ о, с

V

II

о

о

А №

5 g

0 о

1 fe о о

s §

в о.

PÎ к •

СМ о

1 * Г 1 ТОН гг. = га', п = ¡1'

ьпл зпл п -п 11,11 I о при п ^ гл- ЦЩ п * ,

шт,л ~ собственные круговые частоты колебания пластинки, х0 :: у0 -координаты точки пересечения штока с пластинкой, 2Ь, р0, ц и Е -толщина, плотность, коэффициент Пуассона и модуль Юнга пластинки. Типичный вид нормированной функции с(х,у)

в зависимости от

безразмерной частоты представлен на ряс.2 для прямоугольной опертой пластинки с длинами сторон а и Ъ при Ъ=а и Ь=а/2, та0/а = = шу0/Ь =1, где о0(х,у) = а(х,у)тс*Е113/[6(1--р.г)3Ш1],

Q = 1о/зр0( (1-(1г)/Е s/b-c2.

Из (I) и (2) видно, что на частотах собственных колебал;*? пластинки ев влияние на смещение поришя отсутствует. Во'лиги них располокеш резонансные частоты излучателя и частоты ззпирикя, ггри которых о=х=0. Высокая плотность резонансных частот излучателя позволяет уменьшение излучения на частотах вблизи частот запирания с лихвой компенсировать увеличением излучения на частотах в окрестности резонанс. ..с. Изменение формы или размеров пластинки приводит к смещению частот запирания и резонансных частот. Поэтому совместная работа - двух излучателей со слегка различа'-цимнся пластинками позволяет излучать звук на всех частотах.

Для увеличения плотности резонансных частот излучения предложено использовать много пластинок, насаженных параллельно ДРУГ другу на обвщй шток, соединяющей их с излучающим лоринем, неодинаковых по размерам и несимметричной формы.

5. Предложен и обоснован теоретически реализующий принципы I и 2г способ безреактивного низкочастотного широкополосного излучения с задержками излучающего поршня в крайних положениях в течение произвольных промежутков времени внутренними силами

посродствсм защелок и перехода:.»: его из одного крайнего положения в другое по закону резонансных колебаний (см.рис.З), полностью устрзня^;1.^': рзактивную нагрузку на импульсный широкополосный. ИМВР. Рссспланы шергетическая нагрузка при таком излучении, • являвшаяся чисто активной, ее спектр при 'периодическом' и непериодическом

хЦ)

рехзшах работы и функция автокорреляции звукового давления для ' случайного стационарного пуассоковского процесса со стохастически-'. независимыми задержками -поршня в крайних положениях 1 * ' При. периодическом режиме средняя акустическая мощность равна \ч. = ;

р<л^иг/8тсс, где у0'- круговая резонансная частота/ и - амплитуда объб;,шого смещения поршня, К1Щ излучения на основной гармондаэ ' ;'; равен Г) = (4/тс)г03й1пг[ (71/;?)(1-П)]/(1-а)2, :где П = ш/а^.Отношение \у к среднеквадратичной реактивной мощности соответственного, гармонического излучателя . сравнения (такого же излучателя, но.-, без защелок), колеблющегося; с той же амплитудой, • по .• порядку " . величины. не превышает отношения - размера поршня к длине водны, . . соответствующей, резонансной частоте. При непериодическом режиме'.'., средняя акустическая мощность-равна .IV = рп.ш^/ас , где п, -

число переходов поршня в единицу врзмгнь из одного крзйкзго положения в другое, для случайного процесса - среднее их число. Спектр излучения зависит от числа переходов в импульсе и от их распределения по длительности импульса и жжет Сыть сравни-

Рис.4. Нормированный спектр, излучения р(ш/ш0) импульса в зависимости от числа ■ N-1-1 переходов поршня из одного крайнего положения в.другое при = 10, где - моменты прохождения поршня через среднее положение --- N=1, . .

--- N-4, и0(^-10)=20/9, ^ ) = 20/3, = 20/27

- - - 11=4, = 20/3, ^о^г-М = 20/9, шо(гз~1:2) == 20/?"

. Коэффициент корреляции звукового давления для случайных

пзрходоз кэргшя кз одного красного пэлогашю в другое представлен на рис.5.

на)

i 1ч.

0.5

г?

Рис.5. KOCiíIIX^ÍCirr г^ррзлящ-п Е(Т).

Показано, что грушовоз излучение с соответственными задеркками по •BpfKC-ж ме:-:ду излучателями при подходящем их число . приводит к ув&лкчзни» 1ЗД излучения на основной: гармонике; при fl2« 1 он равен т> = ОЛ5П2 , в случае, когда задерет! по времени кезду изл/чате-тля иоследозательшх номеров равны одной и -той ке оптимальной золпчпгв. Для двух излучателей, поршни которых, колеблются с запаздыванием на время- i <х/ш0, ti в

1 1

(1 cos ЬП1)/[1 + (1 - ^ ü^Jcob Wq^,.- ^ sin и г1 ]

pan бсль№, чем для одиночного излучателя. На частоте вдвое меньше резонансной при и т =1,920 этот множитель имеет максимум. ■ равный 2,771. При этом КПД =0,4991. Проведен расчет безреактивного ■Кишульспого. излучателя с учетом собственного и радиационного грзк"л. Для обоснования расчета получено точное решение /¡а&акциоиаой 'задачи об излучении сферической упругой оболочки задаярсой массы под действием радиальных сил, равномерно распределенных по ее поверхности, с задержками излучающей

поверхности в крайних положениях. Из найденного решения следует, что излучатель можно трактовать как монополь, если время порехода поршня из одного крайнего положения в другое велико но сравнению со временем прохождения звуком расстояния порядка размеров излучающей поверхности, т.е. характерным временем "забывания" ею истории своего движения.

6. Предложен и оЬоснован теоретически'реализующий принципы I и 2д безреактивный пневматический способ импульсного излучения звука в широкой полосе низких частот, микикизирущий расход сжатого воздуха, основанный на оптимальном манипулировании открыванием и перекрыванием потоков воздуха на входе и выходе резонансной камеры ИМВР й состоящий в том, что воздушный поток на выходе резонансной камеры при перекрытом потоке на ее входе открывают дважды за цикл работы на промежутки Бремени до момента первой остановки потока на выходе (примерно на полпериода собственных колебаний в камере ), а шток на входе 'камеры открывают при перекрытом потоке на выходе в фазе сжатия воздуха в камере перед каждыми двумя последовательными открываниями потока на выходе. Открывание и перекрывание этих потоков производится независимо действующими заслонками. 'Последовательные открывания потока на выхода камеры разделяют задержками во времени, выбираемыми с таким расчетом, чтобы спектр объемной скорости излучателя был бы в низкочастотной своей частя возмоето ближе к требуемому. При этом'за счет на-время отлокенного использования потенциальной энергии разрешения (сжатия) воздуха, запертого на время задеражи в резонансной камере, достигается экономия расхода сжатого воздуха в нерезонансном режиме излучения. предложено устройство для осуществления способа. Ра сочи тая.' споктр излуюкия при периодическом и непериодическом ултяк рСсти »^с.юяги

выходящего пото1;а и функция автокорреляции звукового давления при случайном регяжэ ее. работы. Задача о колебаниях воздуха в В'лтускюм отверстии резонансной камеры решена с учетом потерь на образование струи, вытекающей из отверстия. Для периодического режима работы излучателя найдена доля полной пневматической мощности, щагсодящаяся на излучение звука на основной гармонике. Показано, что эта доля сравнительно медленно уменьшается с отклоненном частоты от резонансной и ко зависит от добротности колоний тех; высокой добротности. Предложен способ многократного Умзеьсэшя требуемой скорости перемещения заслонки, перекрывающей ■ кшусквсз отверстие резошгювой камеры.

7.-Предложен и обоснован -теоретически рвадизупщй принципы I и Яд бзярзйктивкнй пневмлтичзскпй способ импульсного излучения эьука в звдхуи среду в широкой полосе низких частот излучателем МВР, тдгогдгеирущяй поток воздуха через компрессор, перекачизаадй воздух внутри излучателя по замкнутому пневматическому циклу.. Способ основан на оптимальном манипулировании открывашек перекрыванием трех потоков Еоздуха, в резонансную камеру и из.нее и состоит в' том, что воздушный шток мекду резонансной камерой ц подг.гембранной полостью излучателя (мембрана является излучающей поверхность») при перекрытых потоках на входе и выходе резонансной камера открывают двагкды зз цикл работы на промежутки времени до момента первой остановки потока, поток на входе камеры открывают при перекрытых потоках на выходе камеры и в подаембранную полость в фазе сжатия воздуха в камере ■ перед каждой двумя цоследоьвтвльнкми открываниями штока в подаембранную полость и из нее, поток на еыходз из камеры открывают, впромежутке между указокЕлы двумя последовательными открываниями потока в нодмег.^раннуи полость и из нее в йазе разрекения воздуха в камере

при перекрытых остальных' двух потоках. Открывание и перекрывание указанных трех потоков производится независимо действующими заслонками. Компрессор отсасывает воздух от Еыхода из камеры и нагнетает Еоздух в емкость перед входом в нее. Последовательные открывания потока из каморы в подмемОранную полость обратно разделяют желаемыми'задержками во времени, чтобы приблизить спектр излучения к требуемому.. За- счет на время отложенного использования потенциальной энергии разрешения (сжатия) воздуха, запертого на .время задержки в резонансной камере, достигается разгрузка компрессора . в . нерезонансном • режиме излучения. Предложено устройство для осуществления данного способа.

Рассчитаны . спектр . излучения при периодическом и непериодическом режиме работы излучателя и функция автокорреляции звукового давления при случайных открываниях и закрываниях заслошси на Еходе в подмембранную полость. Задача о колебаниях воздуха в отверстия камеры, выходящей в подмембранную полость, решена с учетом потерь на образование струи, вытекающей из отверстия. Для периодического режима работы излучателя найдено доля полной пневматической мощности, приходящаяся на излучение звука; на основной гармонике. Показано, что она сравнительно медленно убывает с отклонением частота.от резонансной и не зависит ■от добротности колебаний при высокой добротности.

. -' 8. Решена задача о. распространении гармонической звуковой волны в жесткой, трубе,. равномерно перфорированной малыми часто .-расположенными на дате звуковой волны отверстиями, и рассчитано излучение звука из трубы через эти отверстия. Получены и проанализованы- дисперсионные соотношения для распространяющейся в трубе волны. Показано, что при $,<< (ка)2 , где к - волновое число, а - радиус трубы, а = 2туз ., б , - площадь поверхности

трубы, приходящейся на одно отверстие17 - проводимость одиночного отверстия в плоском жестком экране, в случае круглоого отверстия равная ого диаметру, структура "гладкой" части поля в трубе мало отличается от волны в трубе без отверстий: появляется только небольшое затуханием и малое увеличение фазовой скорости волны. При а ~ (ка)2 ' фазовая скорость возрастает на величину своего порядка, а при о > (ка)г велико к затухание на длине волны; при а >> (На)2 затухание велико и на радиусе трубы. Фазовая скорость волны в перфорированной трубе больше скорости звука в ■ среде,, причем она уменьшается с увеличением частоты, асимптотически приближаясь к скорости звука, коэффициент затухани:. при атом такив уменьшается. Показано, что в случае малого по сравнешгю с длиной звуковой волны радиуса трубы возможен аналог поперечного резонанса в волноводе - почти радиальных низкочастотных колебаний среда. Проанализированы краевые эффекты для полубесконечной перфорированной трубы. Получены выражения для длины пространственного установления поля в трубе * и краевой поправки в поле снаружи- трубы. Рассчитана характеристика направленности и мощность излучения из трусы конечных размеров, на одном конце которой имеется поршень с заданной объемной скоростью, а другой характеризуется заданным -коэффициентом отражения волны. Показано, что вблизи продольного резонанса (по частоте или длине трубы) мощность излучения может быть сравнительно велика.

9. Предложены основанные на принципах I и 2е Сззреактивные испульсные сейсмические излучатели продольных и поперечных волн, освобожденные от силовой и энергетической нагрузки на первичный двигатель излучателя и воздействующие на грунт знакочередующимися силовыми импульсами с интервалами между импульсами, меняющимися по заданной программе или по случайному закону. Разгрузка первичного

двигателя происходит за счст амортизационных прупж. делающих .мятники удары реактивпоП массы о мишени, кезду котсршзх гаа движется, и переводящими кинетическую гноргпэ разогнано:! реактивной массы в потенциальную энергию скатил и разргзеяил пружин и наоборот, а интервалы мекду импульсами изменяются путе;,! изменения расстояния между мишеняш1; • это изменение дох-ис быть проведено за время мекду двумя последовательным! иззудьсая о/^ит-с знака. Дан расчет основных характеристик излучателей и приводе::;.' конкретные примеры.

10. Дан новый более простой способ расчета ' собственной и взаимной силы реакции плоских поршней, колеблющихся в плоском хестксм экране по произвольному временному закону. Сила рзгкдал представлена суммой интегралов по времени от смещения колебательной скорости'- порння с соответственным;! Бесовыми функциями, зависящими только от геометрии пориней. Для силы реакции поршней ряда простейших форм весовне 'функции Ецрахеан чзрез элементарные. Способ разработан в связи с вагггой ролью импульсного излу^г'-тия для Сезреактквных излучателей и необходимости соответствешого математического обеспечения для описания работы таких излучателей.

11. Показано, исходя из принципа причинности, что дл^ любого поршневого излучателя и при произвольном движении поршня во време:м сила' реакции среда на поршень как функция времени кокет ■быть выражена только, через вещественную часть спектра импеданса поршня, либо только через мнимую его часть. Эти части спектра .связаны -соотношениями, аналогичными формулам Крамерса-Кронингя. Найдены обобщения указанного выражения для звукового давления в какой-лиоо точке на поршне, над ним или в.стороне от него, а также для силы реакции неоднородной среди на. поршень. Проанализирована

связь силе: реакции со' скоростью поршя в предшествующие моменты Бремени.

ОБЩИЕ вывода

I. Существенное повышение эффективности широкополосных низкочастотных акустических и сейсмических излучателей достижимо на основе общего физического цранципа компенсации реактивной нагрузки, по которому потоки реактивной энергии направляются в обход первичного двигателя излучателя, и, в ччстности, 'в соответствии с принципами, по которым

а ) ■ сдвигаются Qszu колебаний между кинематически связанным?, элементами колебательной системы излучателя,

б) к излучакщему элементу присоединяется колебательная система послодователх->но соединенных элементов с сосредоточенными параметрами при проожонаа вынуждающей колебания сила в каждой полосе частот к тому элементу, для которого реактивная нагрузка, приходящаяся на заданную, ькустическу» мощность, наименьшая,

в) с излучающим элементом параллельно соединяются колебательные системы с распределенными параметрами, обладающие высокой плотностью резонансных частот,

г) излучающий элемент удерживается внутренними по отношению к излучателю силами на заданное время в крайних положениях элемента, а его переход из одного крайнего положения в другое совершается по закону резонансных колебаний,

д) оптимизируется управление потоками воздуха в пневматических излуч-.телях для минимизации расхода сжатого воздуха,

е) осуществляется взаимный обмен реактивной энергией между инерционным и упругим элементами сейсмического излучателя во время его импульсного воздействия на грунт через -заданные промежутки

времени.

Z. Излучение звука из трубы даз>.:е малых ьолноенх поперечных размеров может быть хорошо согласовано с внесшей средой (что означает компенсацию реактивной нагрузки на излучатель, работаквдй внутри трубы) в широкой полосе частот, если трубу перфорировать малыш часто расположенными на длине волны отверстиями подходящего радиуса согласно расчету, приведенному в седьмой главе диссертации.

3. Для расчета собственной и взаимной силы реакции плоских Поршней, колеблющихся в глосном жестком экране по произвольному закону во времени., дан новый более простой способ, по которому силы реакции представляются интегралом или суммой интегралов п~ времени от смещения к колебательной скорости поршня с соответственными весовыми функциями, зависягдими только от геометрии поршней.

4. Сила реакции среды любого поршневого излучателя и при произвольном движении порыня во времени . моает быть, выражена на основе принщша ликности только через вещественную часть Импеданса поршня, либо только через мнимую его часть. Утверждение Сохраняет силу и в случае неоднородной среды. Звуковое давление ка поршне и^в среде также выракается через вещественную либо мнимую часть импеданса поршня.

Основное содержание диссертации опубликовано з следующих работах: ...

1. Урусовский И.А. О компенсации реактивной нагрузки гармонических излучателей// Акуст.гсурн. Г959. т.5. J83; с.383-385.

2. УрусоЕский И. А. "Акустический, низкочастотный излучатель". IBT.CB. J&92255 . 7.07.60. И.кл2. COIS 7/52. В06В 1/00.

3. Урусовский IT.А. О компенсации реактивной нагрузки низкочастотных гидроакустических и сейсмических излучателей. В сб. "Проблему вибрационного просвечивания Земли".' М.: Наука. с.Ш-151.

4. Урусовский Li.il. "Гидроакустический поршневой излучатель". Авт.се. £591233. 24.09.76. М.КЛ2. В06В 1/00, GOIS 7/52.

5. -Уруссвский ii.il. Реактивная нагрузка излучателя малнх волновых pas:.:epoc с п степенями свободы колебаний// Акуст.журн. 1988. т.34. щ.- с .30G-3I4.

6. урусовский U.к. "Гидроакустический ' поршневой излучатель". Ает.св. .'510928001 12.01.83. Г,!.кл. В08В 1/00.

7. Урусовский М.А. Энергетическая нагрузка излучателей малых волновых размеров со скачкообразно изменяемыми параметрами// •Акуст.журн. 1Э90. т.33. Х£. с.1088-1097.

3. Урусовский И.А. Безреактивный широкополосный пневматический излучатель// Сб.докладов XI Всесоюзной акустической конференции. Секция Р. с.102-105.

9. Урусовский М.л. "Способ возбуждения акустических колебаний и устройство для его осуществления". Авт.св. Ж7073Ю. 1990. М.кл. FI5D 21/12, В06В 1/20.

10. урусовский И.А. Излучение звука из перфорированной трубы, внутри которой распространяется гармоническая волна// Акуст.журн. 1972. Т.18. J83. С.443-455.

11. Урусовский И.А. О реакции среды для плоских поршней, колеблющихся в' плоском жестком ркрана по произвольному временному закон"// Акуст.курн. 1937. г.S3. Jfc4. с.751-760.

12. Урусовский И.А. Ограничения на характер силы реакция излучающего поршня, налагаемые принципом причинности// Акуст.журн. 1988. 7.34. М. с.727-731.