CN103187047A - 用于声学清洁的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明名称为“用于声学清洁的方法和系统”。音调发生器组装件(100)包括共振箱(102)，共振箱包括第一端和第二端以及在它们之间延伸的机身(122)，机身在其中包围空腔(124)，第一端包括与该空腔流体连通的共振箱开口；以及喷嘴(104)，喷嘴包括穿过其中的孔(119)，孔包括配置为接收相对高压流体(116)的流的进口(114)以及与进口以流体连通的方式耦合的出口(118)，出口配置为当在进口接收相对高压流体的流时释放流体的不完全膨胀的射流(142)，其中将共振箱(102)和喷嘴相对地放置并且调整其大小，以便利于从音调发生器组装件中发射音调，该音调具有低于两千赫兹的频率并且被调谐到确定用来提供清洁振动能量的频率。

Description

用于声学清洁的方法和系统

技术领域

本发明的领域通常涉及声学发生器，以及更具体地说，涉及用于生成在可闻频率范围内的高强度窄频带的音调噪声的方法和系统。

背景技术

在运行期间，工业过程的至少一些已知组件经历在该组件内的表面上形成的沉积物。在例如公用事业锅炉或其他工业过程组件中形成的这种沉积物往往不利地影响了组件的运行。在这些组件的表面上的累积可以导致热传导效率低下、压力下降、过多的破坏性清洁以及过多的停机时间。在过程保持在线的时候移除这些沉积物利于过程的效率和利用率。

在线沉积物清除的至少一些已知的方法包括震动清洁系统、蒸汽/空气吹灰以及射声器(acoustic horn)。然而，震动清洁系统创造了穿过燃料和氧化剂的燃烧的强烈声波，其具有与它们相关联的运行成本。蒸汽粉尘吹风(soot blow)是易膨胀的并且对将要清洁的表面具有腐蚀性。射声器需要压缩空气的供给来致动振动的隔膜板并且已知其具有压力强度限制和包括对清洁没有帮助的频率的宽频率谱带。上述技术使用了运动部件，所述运动部件随着时间磨损并且必须被更换以便维持有效性。这种维护是耗费时间的并且对过程的正常运行来说是破坏性的。

发明内容

在一个实施例中，一种音调发生器组装件，包括共振箱，所述共振箱包括具有共振箱开口以及与共振箱开口流体连通的共振箱空腔的机身。音调发生器组装件还包括喷嘴，所述喷嘴具有进口，所述进口配置为接收相对高压流体的流；以及出口，所述出口以流体连通的方式耦合到进口。出口的朝向与共振箱开口大致轴向对准并且以间隙将其与共振箱开口分隔开。选择共振箱和喷嘴的尺寸以便利于发射音调，所述音调具有低于两千赫兹的频率并且被调谐到确定用来提供清洁振动能量的频率。

在另一个实施例中，一种生成音调的方法，包括生成流体的射流，引导该流体的射流进入封闭端部空腔，使用流体的射流以低于两千赫兹的速率在空腔中交替地形成压缩波和膨胀波，使用该压缩波和膨胀波生成音调，以及朝向将要清洁的表面发射该音调。

在又一个实施例中，一种声学清洁系统，包括配置为生成流体的不完全膨胀的射流的喷嘴和配置为接收流体的射流的至少一部分的共振箱，其中，共振箱包括在流体的射流的流方向的可选地可变的长度。声学清洁系统还包括包围喷嘴和共振箱的外壳，其中，该外壳包括大小被调整以便发射具有低于一千赫兹的频率的音调的开口。

附图说明

图1-3示出本文描述的方法和系统的示范实施例。

当结合附图阅读时，参考本发明的某些示范实施例的下面描述将最好地理解本发明的上述的和其他的特征和方面，其中：

图1是根据本发明的示范实施例的声学清洁音调发生器组装件的示意图；

图2是根据本发明的另一个实施例的在图1中示出的音调发生器组装件的示意图；以及

图3是根据本发明的示范实施例生成音调的方法的流程图。

具体实施方式

下面详细的描述以举例的方式而不是限制的方式示出了本发明的实施例。可以领会，本发明具有一般应用来生成声学音调，以用于清洁在工业应用、商业应用和住宅应用中的组件。

本发明的实施例描述了特别设计的设备，所述特别设计的设备配置为利用空气的高压射流和形成空腔的封闭端的管子的相互作用,来创造高强度、窄频带音调噪声。该设备被设计为将音调作为在可闻的频率范围内的声波发射。这些声波接着被用于在过程中清洁表面，其中碎片/粉尘/污垢累积导致该过程中的效率低下。声波使沉积物或累积振动并且沉积物从表面落下。这是一种非破坏性的廉价的清洁技术。本发明的实施例更类似于汽笛(shistle)地运行，而不是使隔膜板振动来生成噪声。通过引导空气的射流进入封闭端的管子，创造压缩波，所述压缩波从封闭端向封闭端的管子的开口反射回来。该管子通过排出流体为它自己减轻高压。因而生成的膨胀波移动回到封闭端，所述封闭端将其反射为膨胀波回到开口，从而允许流体进入管子。流体的运动导致高强度的调谐的音调，其作为用于清洁目的的音速驱动器(sonic driver)被利用。

如本文所使用的，除非明确地陈述了这样的排除，否则应当将以单数形式陈述的并且跟随不定冠词“一”的元件或步骤理解为没有排除复数的元件或步骤。另外，对本发明的“一个实施例”的引用无意于解释为排除也结合了所陈述的特征的附加实施例的存在。

图1是根据本发明的示范实施例的声学清洁音调发生器组装件100的示意图。在示范实施例中，音调发生器组装件100包括共振箱102、喷嘴104以及外壳106，外壳106包围共振箱102和喷嘴104。共振箱102包括具有共振箱进口110的机身108。共振箱空腔112与共振箱开口110流体连通。

喷嘴104包括进口114，所述进口114配置为接收相对高压(大约50psi-300psi，并且更优选地为大约100psi)流体116(例如，压缩空气)的流。出口118通过穿过其中的孔119以流体连通的方式耦合到进口114，孔119在从进口114到出口118的流体流的方向上逐渐变小。出口118的朝向与共振箱开口110大致轴向对准，并且以间隙120与共振箱开口110分隔开。通过调节喷嘴104和/或机身108的轴向位置，间隙120在轴向方向上是可调节的。

外壳106包括环形的机身122，环形的机身122包括包围共振箱102和喷嘴104的空腔124。外壳106包括第一开口126，第一开口126配置为接收相对高压流体116的流；以及第二开口128，其具有直径130，直径130大小被调整以便利于从音调发生器组装件100发射具有低于两千赫兹的频率的音调。相对较低频率音调利于当过程在线时清洁工业过程组件的，并且提供可调的、更高的dB输出。已经发现，与具有低于两千赫兹(例如，低于400赫兹)的频率的音调相比较，具有高于两千赫兹的频率的音调只具有有限的清洁能力。

在另一个实施例中，孔119具有逐渐减小/逐渐放大的截面并且可以包括中心体来使通过孔119的流成流线形或利于匹配通过孔119的速度到特定应用的要求。

共振箱开口110包括直径132，直径132大小被调整以便利于生成具有低于两千赫兹的频率的音调。在多种实施例中，调整直径132的大小以便接收来自从喷嘴104发射的射流142的整个流。在一个实施例中，空腔112为具有平滑壁表面的封闭端部空腔。在另一个实施例中，共振箱102包括穿过其中的孔133而不是平滑壁的空腔112。孔133包括配合地啮合塞子136上的螺纹的带螺纹的表面134。塞子136的轴向位置是可调节的以便改变空腔112的长度138。通过调节在孔133中塞子136的轴向位置来改变长度138，允许调节共振箱102的音高和/或效率。直径132的改变也将在共振箱102的音高和/或效率上具有类似的效果。

出口118包括大小被调整以便利于生成流体的不完全膨胀的射流142的直径140。如本文所使用的，不完全膨胀的射流指代通过逐渐变小的喷嘴的流，其中在喷嘴出口平面的流速几乎是音速的并且在它的下游是超音速的。不完全膨胀的射流142沿轴向的方向被引导到共振箱开口110。音调发生器组装件100的一些尺寸影响音调发生器组装件100的音高/效率。这些尺寸包括但不限于振动空腔长度138、振动空腔直径132、间隙120、直径140以及空腔124的体积。另外相对高压流体116的流的压力也可以具有对音调发生器组装件100的音高/效率的影响。在一个实施例中，振动空腔长度138大约两倍于振动空腔直径132。

上述尺寸和参数的调节允许使用者来调节音调发生器组装件100的音高或音调并调节该音调的强度以及音调发生器组装件100的效率。例如，增加相对高压流体116的流的压力允许音调的更大的强度，然而要维持用于应用的预定音高也可以需要调节其他的可调节尺寸。例如，可以增加直径140来适应接收更强大的射流142。也可以调节共振箱102的轴向位置，以便维持在生成音调时音调发生器组装件100的效率。可以需要调节在影响音调发生器组装件100的所生成的音调和/或效率的其他尺寸中的变化，以便补偿在音调和/或效率上尺寸的相互依赖。除了发射具有低于两千赫兹的频率的音调之外，可以调节音调发生器组装件100的尺寸以便发射具有十赫兹到一千赫兹之间的频率的音调，甚至发射具有五十赫兹到四百赫兹之间的频率的音调用于特定的应用，例如，但不限于，清洁在装载微粒的气流中的组件。

图2是根据本发明的另一个实施例的音调发生器组装件100(在图1中示出)的示意图。在备选实施例中，音调发生器组装件100包括与音调发生器组装件100以声学连通方式耦合的钟形部(bell)200。钟形部200包括耦合到外壳106的喉部202、喷口204和具有延伸其间的预定形状的射声器206。在多种实施例中，预定形状可以是但不限于锥形、指数曲线或等切面曲线。

钟形部200用于增加音调发生器组装件100的整体效率。喇叭(horn)206是无源组件并且因而不放大来自音调发生器组装件100的声音，但是大大改善了音调发生器组装件100和包围喇叭206的自由空气之间的耦合效率。喇叭206提供在音调发生器组装件100和喷口204外面周围的低密度空气之间的声阻抗匹配。结果是来自给定音调发生器组装件100的更大的声学输出。射声器206使用喇叭206的截面面积的逐步增加来将在喉部202中具有小排量的高压变量转化为在喷口204中具有大排量的低压变量并且反之亦然。喉部202的小截面面积限制空气的通过，因此呈现出对音调发生器组装件100的高阻抗。这允许音调发生器100发展出用于给定排量的高压。因此在喉部202中的声波是高压和低排量的。喇叭206的锥形形状允许声波逐渐地减压并且在排量上增加直到它们到达喷口204，其中它们是低压但大排量的。

图3是根据本发明的示范实施例生成音调的方法300的流程图。在示范实施例中，方法300包括生成302流体的射流，引导304该流体的射流进入封闭端部空腔，使用该流体的射流以低于两千赫兹的速率在空腔中交替地形成306压缩波和膨胀波，使用压缩波和膨胀波生成308音调，以及朝向将要清洁的表面发射310音调。

用于生成音调的设备包括被引导进入具有大约相等直径的封闭端的圆柱形管或共振箱中的不完全膨胀的射流。当共振箱的圆柱形管被放置在不完全膨胀的射流的压缩区域内时，管子开始吸引流体进入并且在管子入口创造向管子的封闭端移动的压缩波(压缩阶段和整体循环的开始)。通过管子入口相对的端壁将该压缩波反射为向管子的入口后移的压缩波。当这些波到达开放端时，将它们作为膨胀波反射回来进入管子(压缩阶段的结束和膨胀阶段的开始)。这时，在管子内的压力已经上升到局部射流压力之上。因此，管子开始通过喷射一些在管子内积累的流体为它自己减轻高压。穿过管子移动的膨胀波在后壁上被反射为膨胀波。一旦这些波到达管子的开放端，它们被反射为压缩波(膨胀阶段和循环的结束)。再一次，在管子中的压力为足够的低以便允许流体的流进入管子。因此，膨胀阶段和整体循环是完整的并且循环的压缩阶段再次开始。这导致正被用于清洁目的的纯净的音调和高分贝的输出。

因为在本发明的多种实施例中描述的音调发生器组装件100只使用压缩空气作为运行媒介，所以可以使用音调发生器组装件100来升级任何现有的声学清洁系统，而不需要基础设施或管道系统的重大的增加。另外，音调发生器组装件100允许在过程在线时清洁工业过程组件，并且提供比已知声学清洁器更纯净的音调以及可调谐的、更高dB的输出。

用于生成能够进行有效声学清洁的声学音调的射流-圆柱体相互作用的方法和系统的上述实施例提供了节约成本并且可靠的装置用于提供更积极的清洁动作和较好的清洁系统。具体来说，本文描述的方法和系统利于音调发生器组装件的运行，所述音调发生器组装件能够在用于清洁的大约低于400赫兹的频率范围内运行。另外，因为清洁器没有运动部件，所以上述方法和系统利于更长的清洁器寿命、更高dB输出和更纯净音调。因此，本文描述的方法和系统利于以节约成本并且可靠的方式生成用于在生产过程中清洁组件的音调。

本书面描述使用了包括最佳实施方式的示例来公开本发明，并且还使本领域内任何技术人员能够实施本发明，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何合并的方法。本发明的可取得专利权的范围通过权利要求书来限定，并且可以包括本领域内那些技术人员想到的其他示例。如果这样的其他示例具有与权利要求书的字面语言并无不同的结构要素，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言并无实质差异的等同的结构要素，则这样的其他示例被确定为在权利要求书的范围之内。

部件列表

100 音调发生器组装件

102 共振箱

104 喷嘴

106 外壳

108 机身

110 共振箱开口

112 空腔

114 进口

116 高压流体

118 出口

119 孔

120 间隙

122 环形的机身

124 空腔

126 第一开口

128 第二开口

130 直径

132 共振空腔直径

133 孔

134 带螺纹的表面

136 塞子

138 共振空腔长度

140 直径

142 不完全膨胀的射流

200 钟形部

202 喉部

204 喷口

206 射声器

300 方法

302 生成流体的射流

304 引导该流体的射流进入封闭端部空腔

306 使用该流体的射流以低于两千赫兹的速率在空腔中交替地形成压缩波和膨胀波

308 使用压缩波和膨胀波生成音调

310朝向将要清洁的表面发射该音调。

Claims (10)

1. 一种音调发生器组装件(100)，包括：

共振箱(102)，其包括第一端和第二端以及在它们之间延伸的机身(122)，所述机身在其中包围空腔(124)，所述第一端包括与所述空腔流体连通的共振箱开口；以及

喷嘴(104)，所述喷嘴包括穿过其中的孔(119)，所述孔包括配置为接收相对高压流体(116)的流的进口(114)以及与所述进口以流体连通的方式耦合的出口(118)，所述出口配置为当在所述进口接收相对高压流体的所述流时，释放流体的不完全膨胀的射流(142)，

其中，将所述共振箱(102)和所述喷嘴相对地放置并且调整其大小，以便利于从所述音调发生器组装件中发射音调，所述音调具有低于两千赫兹的频率并且被调谐到确定用来提供清洁振动能量的频率。

2. 如权利要求1所述的音调发生器组装件(100)，其中，所述喷嘴出口(118)的朝向与所述共振箱开口(110)大致轴向对准，并且以预定的间隙(120)将所述喷嘴出口(118)与所述共振箱(102)开口分隔开。

3. 如权利要求2所述的音调发生器组装件(100)，其中，所述间隙(120)在轴向方向上是选择性可调节的。

4. 如权利要求1所述的音调发生器组装件(100)，其中，所述空腔(124)包括至少包括长度(138)和直径(130)的尺寸，所述共振箱(102)开口包括至少包括直径的尺寸，以及所述喷嘴出口(118)包括至少包括直径的尺寸，其中，选择所述尺寸以便利于生成具有低于一千赫兹的频率的音调。

5. 如权利要求1所述的音调发生器组装件(100)，还包括包围所述共振箱(102)和所述喷嘴(104)的外壳，所述外壳包括配置为接收相对高压流体(116)的所述流的第一开口(126)，所述外壳包括第二开口(128)，所述第二开口包括大小被调整以便利于发射所述音调的直径。

6. 如权利要求1所述的音调发生器组装件(100)，其中，所述共振箱空腔(124)包括穿过所述共振箱机身(122)的孔(119)，所述孔配置为接收塞子(136)。

7. 如权利要求6所述的音调发生器组装件(100)，其中，所述孔(119)沿所述孔的轴向长度至少部分地是带螺纹的，以便配合地接收带螺纹的塞子(136)。

8. 如权利要求7所述的音调发生器组装件(100)，其中，所述带螺纹的塞子(136)沿所述孔(119)的轴向长度是选择性可调节的，以便改变所述空腔(124)的长度。

9. 如权利要求7所述的音调发生器组装件(100)，其中，所述喷嘴(104)包括穿过其中的孔(119)，所述孔在从所述进口(114)到所述出口(118)的流体流(116)的方向上逐渐减小。

10. 如权利要求1所述的音调发生器组装件(100)，其中，所述第二开口(128)包括直径(130)，所述直径大小被调整，以便利于发射具有在五十赫兹到四百赫兹之间的频率的音调。

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