5.3. ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ СИРЕНА

Для излучения звука большой мощности в жидкости может служить гидравлическая сирена. Принцип ее работы такой же, как и пневматической сирены, разница состоит в том, что рабочим телом является жидкость, а не газ. Кпд и излучаемую мощность можно оценить с помощью ф-л (5.12), (5.13). Надо, однако, иметь в виду, что вследствие большой плотности жидкости реактивные

сопротивления подводящих трубопроводов создают у такой сирены большие дополнительные нагрузки и результирующего сопротивления может оказаться очень низким. Присоединение рупора к модулятору такой сирены затруднено тем, что длины волн в жидкостях велики и соответственно размеры рупора оказываются весьма большими.

Другое важное обстоятельство состоит в том, что амплитуда переменного давления в модуляторе и горле рупора может оказаться весьма значительной. Практически режим работы гидравлической сирены таков, что В этом случае и (5.12) упрощаются:

Акустическое давление в модуляторе найдется умножением на модуль акустического сопротивления Эта величина близка к Модулю входного акустического сопротивления руяора. Тогда амплитуда акустического давления

Как видно, уже при глубине модуляции амплитуда переменного давления на стороне рупора составляет величину, близкую к полной разности давлений между резервуаром и средой. Бели эта амплитуда будет больше то жидкости появятся растягивающие усилия, которые могут превысить предел прочности жидкости, и наступит кавитация — выделение газовых пузырей во время отрицательных фаз давления и «захлопывание» их во время положительных фаз давления, вызывая кавитационную эрозию частей модулятора. Таким образом, гидродинамическая сирена должна работать только при таких давлениях в резервуаре, при которых в отрицательной фазе переменной составляющей давления в модуляторе полное давление остается выше порогового, соответствующего началу кавитации. Если активная часть сопротивления невелика, т. е. (мал, то, несмотря на большие давления в модуляторе, излученная мощность может оказаться небольшой.

В величину входит сопротивление подводящих трубопроводов со стороны резервуара. Поэтому в трубопроводах может также возникнуть кавитация и большое реактивное переменное давление, снижающее эффективность сирены. Это реактивное давление можно погасить, подключив компенсирующую нагрузку со стороны подводящего трубопровода. Если сирена работает на определенной частоте, то в качестве такой нагрузки можно использовать резонатор (например, четвертьволновой отрезок трубы), подключаемый через тройник к питающему трубопроводу (рис. 5.3). Акустическая проводимость такого резонатора вблизи резонанса велика благодаря большой добротности. В зависимости от знака расстройки между его резонансной частотой и рабочей частотой сирены проводимость может изменяться в широких пределах по фазе. Это

позволяет подбором расстройки скомпенсировать переменную составляв ющую объемной скорости перед модулятором так, что по трубопроводу будет практически течь только установившийся поток жидкости.

Реакция на модулятор со стороны излучателя является полезной нагрузкой и компенсировать ее нельзя. Для того чтобы сирена югла работать при большой разности давлений ее необходимо поместить в замкнутый объем жидкости с повышенным давлением. Излучение звука в этом случае будет происходить через стенку сосуда, которая может быть сделана «акустически прозрачной» — например, выполнена в виде поршневой мембраны, подстроенной в резонанс с частотой излучения.

Рис. 5.3. Компенсация переменного давления в подводящем трубопроводе гидравлической сирены

Площадь мембраны должна быть значительно больше сечения отверстий модулятора. Тогда интенсивность излучения около мембраны со стороны внешней среды будет невелика и кавитация не возникнет.

Применение гидравлико-акустических преобразователей для излучения мощного звука низких частот затруднительно. Длина волны в жидкости становится весьма большой, и практически даже очень большого размера излучатель оказывается малым по сравнению с длиной волны.

Если полная излучающая поверхность излучателя составляет и излучатель мал по сравнению с длиной волны, то коэффициент излучения можно считать равным где радиус эквивалентного малого сферического излучателя, Так как при сравнительно высоких разностях давлений скорость много меньше скорости звука в жидкости, то можно пренебречь по сравнению с . В самом деле: — модуль сопротивления излучения, равен так что но отношение полной поверхности излучения к поверхности среднего открытия отверстий. Это отношение во всяком случае не меньше тогда как даже при разности давлений в одну атмосферу составляет примерно 0,01.

Таким образом, упрощая (5.12) и выражая через величину поверхности излучения и длину волны излучаемого звука X, получим:

Отношение площадей в квадратных скобках определяется конструкцией и не может сколько-нибудь существенно меняться с

изменением излучаемой длины волны. Излучаемая мощность оказывается зависящей только от числа Маха и отношения объемной скорости (объемного расхода) жидкости к длине волны. Чем ниже частота, тем больше требуется объемный расход жидкости для работы излучателя с той же мощностью. Число Маха неограниченно увеличивать нельзя из-за возможности наступления кавитации. Для получения в воде мощности в разности давлений между баллоном и средой около одной атмосферы и при условии, что из можно получить, что объемный расход жидкости (воды) составит около где X — длина волны в метрах. Таким образом, на частоте 20 Гц потребовалось бы перегонять около воды в секунду через излучатель под избыточным давлением в 1 атм.