CN109281899B - 声腔定制的合成射流 - Google Patents

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Abstract

声腔定制的合成射流采用具有腔的本体，该腔具有包括从第一范围到孔的锥形的壁。腔被配置为产生匹配的声学共振。驱动系统具有在第一范围处与腔接合的活塞。驱动系统和活塞被配置用于在孔处引起合成射流的振荡运动。

Description

声腔定制的合成射流
技术领域
本公开的实施例大体上涉及合成射流致动器的领域，并且更具体地涉及被定制成最大化在合成射流中产生的总动量的声腔。
背景技术
合成射流被用于控制各种空气动力学表面上的流动。已经用合成射流证明了用于减阻以增加燃料效率和用于飞行器的空气动力学控制以及湍流减小以改进电光转塔的气动光学性能的边界层控制。
合成射流使用活塞以泵送腔来创建射流而无需外部空气供应。在图1中所示的示例性现有技术合成射流10中，由输入13驱动的活塞12泵送基本上圆柱形的腔14，其导致空气运动离开孔16。来自腔14的排出空气(由箭头18表示)形成夹带环境外部空气的喷流，而流入空气(由箭头19表示)发生在孔16的侧面。由此产生的感知流动与传统射流相当。
现有技术试图建模如图1中所示的合成射流的行为，其针对空腔共振呈现了亥姆霍兹共振。这与在瓶子顶部吹气而听到声音时所观察到的现象是一样的，并且用闭合形式模型很容易实现其预测。现有技术中用于构建合成射流的策略通常是将腔的声学共振频率与活塞的结构共振相匹配，并且驱动当装置被组装时所产生的这两个耦合共振中的一个。
发明内容
本文公开的实施例提供了一种声腔定制的合成射流，其采用具有腔的本体，该腔具有包括从第一范围到孔呈锥形的壁。该腔被配置为产生匹配的声学共振。驱动系统具有在第一范围处接合到腔的活塞。驱动系统和活塞被配置为用于震荡运动，从而在孔处引起合成射流。所公开的实施例提供了一种用于产生合成射流的方法，其中腔被配置为提供与活塞和驱动系统的结构共振提供匹配的声学共振，并且定制成具有从接近活塞的腔的范围到孔渐缩的壁。驱动系统被操作成引起活塞震荡以产生穿过孔的射流。
本发明的一个实施例涉及一种声腔定制的合成射流，其包括具有腔的本体，所述腔具有从第一范围到孔呈锥形的壁并且被配置为产生匹配的声学共振；驱动系统，该驱动系统具有在第一范围处被接合到腔的活塞，所述驱动系统和活塞被配置用于振荡运动，从而在该孔处引起合成射流。锥形可以包括从范围到孔的变化斜率。变化斜率可以从所述范围到所述孔是增加的。驱动系统和活塞可以以减小的未耦合共振频率操作。驱动系统可以被配置为以是匹配的声学共振的一半的未耦合共振频率进行操作。所述驱动系统可以包括弹簧，所述弹簧的刚度从与匹配的声学谐振相等的未耦合谐振频率的刚度减小为1/4。所述孔可以包括槽。所述孔可以包括圆形孔洞，并且所述腔关于所述圆形孔洞的中心的法向轴线对称。锥形的特征在于产生与具有在活塞处具有最高浓度的声学模态形状压力分布的圆柱形腔相同的未耦合固有频率。锥形可以具有由至少二阶多项式表征的形状，从而具有以至少一阶多项式表征的变化斜率。
本发明的另一个实施例涉及一种用于产生合成射流的方法，该方法包括配置腔以向活塞和驱动系统的结构共振提供匹配的声学共振；将腔定制成具有从腔的接近活塞的范围到孔渐缩的壁；操作驱动系统以引起活塞的震荡。所述方法还可以包括针对匹配的声学共振的一半的未耦合共振结构频率，将驱动系统的弹簧刚度减小为1/4。定制腔的步骤可以包括从所述范围到所述孔改变壁的锥形的斜率。改变斜率可以包括从所述范围到所述孔逐渐增加壁的锥形的斜率。改变斜率可以包括改变壁的锥形的斜率，以匹配圆柱形腔的未耦合固有频率并且调节斜率以提供在接近活塞的范围处具有最大浓度的声学模态形状压力分布。
本发明的另一个实施例涉及添材制造的合成射流，其可以包括：被打印成具有腔的本体，该腔具有从第一范围到孔的锥形的壁；以及被打印在腔壁上的径向支撑件，从而在本体中产生中间开放体积。锥形可以具有从所述范围到所述孔变化的斜率。变化的斜率可以从所述范围到所述孔是增加的。所述孔可以包括槽。所述孔可以包括圆形孔洞，并且所述腔关于所述圆形孔洞的中心的法向轴线对称。
已经讨论的特征、功能和优点可以在本公开的各种实施例中独立实现，或者可以在其他实施例中组合，其进一步的细节可以参考以下描述和附图。
附图说明
专利或申请文件至少包含一张彩色图纸。本专利或专利申请出版物的彩色图纸副本将由专利局根据请求并在支付必要的费用时提供。
图1是用于合成射流的现有技术结构的示意性侧面剖视图；
图2A是当前圆锥形实施例的实施方式的呈现；
图2B是图2A的实施例的上部视图；
图2C是图2A的实施例的下部视图；
图3是图2A的实施例的等距剖视图；
图4A是图3的横轴线的剖视图；
图4B是沿图3的纵轴线的剖视图；
图5是为了清晰没有活塞的第二实施例的上部视图；
图6是沿着图5的线6的图5的实施例的等距剖视图；
图7A是沿着图5的横轴线的剖视图；
图7B是沿着图5的纵轴线的剖视图；
图7C是沿着图5的中间轴线的剖视图；
图7D是用于渐缩的示例性曲线拟合的放大截面图，其与图7A中所示的相当。
图8是具有圆形孔的对称实施例的侧面剖视图；
图9A是针对现有技术的圆柱形腔的腔的呈现；
图9B是针对图2的实施例的腔的呈现；
图9C是针对图5的实施例的腔的呈现；
图10A是结构实施例的图示；
图10B是图10A的结构实施例的3D打印组件中的支撑元件的图示；和
图11是用于产生合成射流的方法的流程图。
具体实施方式
本文公开的实施例在合成射流的动量输出方面提供了改进的性能以增加它们的有效性。采用渐缩腔(tapering cavity)，其被调整成匹配用于泵送腔的活塞的共振频率。驱动系统(诸如压电致动器)与附加或一体式弹性元件一起使用以致动活塞。通过降低驱动系统的刚度来降低活塞的未耦合共振频率。在下面将要描述的一个示例性实施例中，与使用常规亥姆霍兹共振器的合成射流相比，通过将弹簧刚度减小为1/4而使未耦合共振频率减少为1/2，从而导致射流的总动量加倍。
参考附图，图2A-2C和图3示出了声腔定制的合成射流20的第一实施例。本体22装纳腔24并且本体的下表面28中的孔26为射流提供出口。对于某些实施例，孔26是槽。然而，替代实施例可以为该孔使用圆形或替代形状。活塞30的大小被确定为能够被接收在腔的上部范围(upper extent)内并在其内震荡，并且活塞30由驱动系统32致动，驱动系统32包括施力元件34和弹性元件，该施力元件34可以是压电致动器或类似装置，该弹性元件弹在实施例中被示为弹簧36。为了本文描述的目的，弹簧36的未连接到活塞30的端部被刚性地连接到结构地面38。腔尺寸针对声学共振被调整以匹配活塞和驱动系统的共振频率。装纳声腔24的本体22和结构地面如由互连39表示的那样刚性地互连。
如图3和图4A-4B所示，腔24的壁40具有从孔26到上部范围42的开口锥形。对于图2A-4B所示的实施例，壁40的锥形是从上部范围到矩形槽孔26基本上是线性的。对于圆孔，锥形是圆锥形的。对于图4A和4B所示的示例性实施例，在横轴线100的平面中锥形的斜率大约为1/1，如图4A所示。在纵轴线102的平面(平行于槽)中，锥形的斜率大约为5/1，如图4B所示。
在图5-7C中示出了声腔定制的合成射流50的第二实施例，其具有本体52，本体52具有在腔54中具有更加大径向非线性锥形(为了清楚起见，附图不是按比例绘制的，而是尺寸夸大的表示)。活塞和驱动系统与如第一实施例所述的活塞30和驱动系统32基本相同。第二实施例中的锥形被成形为类似于诸如喇叭的铜管乐器的钟形，如是与沿着横轴线200的透视截面图的图6所示。腔54的壁56的锥形随着从腔的上部范围58到孔56逐渐增加的斜率而改变，如作为沿着横轴线200的截面图的图7A中最佳所示。在如图7B中所示的纵轴线的平面内，锥形的斜率也是改变的，但是快速地成为接近孔的渐近线。如图7C所示，在横轴线和纵轴线之间的中间区域中，壁60的斜率在上部范围58和孔56之间增加。如先前的实施例中，锥形第二实施例的腔尺寸针对声学共振被调整以匹配活塞和驱动系统的共振频率。然后进一步调节锥形以提供在活塞面处具有最高压力的压力分布模态形状。
对于图6和图7A-7C的示例性实施例，已经通过无量纲化的曲线拟合确定了沿横轴线200的截面中的锥形壁60的形状以基本匹配y＝5.167x4-7.413x3+4.680x2-1544x+0.00422，如图7D中所示，Y轴线208平行于横轴线200，并且X轴线210在包括孔56的槽的边缘80处与壁表面相切并垂直于横轴线200。为了实现期望的曲率，用于示例性实施例的锥形壁的形状可以被表征为至少二阶的多项式，从而提供由至少一阶多项式表征的变化斜率。
对于圆形孔66，第二实施例的版本提供了腔64，该腔64关于通过孔的中心的垂直轴线300对称。腔64的壁70具有锥形，该锥形具有从上部范围68到孔66增加的斜率。
虽然所描述的实施例的本体22、52被示出为单独的实体，但是本体可以被包括作为射流由其流动的表面或结构的一部分或附着到该表面或结构。另外，尽管用平板活塞示出和描述，但活塞30可以是在其周边处与腔(24、54)的近端范围(48、58)接合的隔膜。
图9A-9C提供了在现有技术的圆柱形腔(图9A)、如上关于图2A-图4B所描述的线性锥形腔(图9B)和如上关于图5-图7C所描述的具有变化斜率的腔(图9C)之间的与第一声学模型形状相关的压力浓度的比较。图9A示出了如在亥姆霍兹共振器中均匀的腔中的压力幅度。如图9B中所示的腔示出了随着腔从接近活塞(远离孔)的范围前进到槽孔而使得腔渐缩会导致在活塞附近具有较高压力浓度/压力集中的声学模态。最后，如图9C所示的腔示出了在活塞背面的腔的近端范围和最“急剧”的锥形处的最集中的压力。结合腔壁的锥形，用于所述实施例的驱动系统32被配置成允许降低活塞的未耦合共振频率以便为所产生的射流的总动量提供放大效果。
对于腔54的示例性锥形的特征在于产生与圆柱形腔相同的未耦合固有频率，其具有在接近活塞30的范围处具有最大浓度的第一声学模态形状压力分布。总动量与速度的平方除以频率成正比。由于总动量与频率成反比，所以当声腔与机械活塞和驱动系统之间存在良好耦合时，降低被耦合系统的频率会增加总动量。腔的形状(在公开的实施例中是腔的锥形)确定了耦合。
如表1所示，通过将弹簧36的刚度减小为1/4而使活塞30的未耦合共振频率减少为1/2会导致具有图9B的锥形壁腔的射流的标准化动量增加，以及对于具有图9C的变化的斜率增加的锥形的腔的计算的标准化动量的有效加倍。
表1计算的标准化动量
Figure BDA0001648414490000051
Figure BDA0001648414490000061
可以使用增材制造(3D打印)技术制造如上述实施例所述的声腔定制的合成射流。如图10A中所示，可以是如图所示的矩形或者是圆柱形的射流本体92被增材打印以包括具有来自第一范围69开始并终止于槽孔66的锥形壁68的腔64。腔64可以如上述实施例所述配置。如图10B中所示，为了允许腔具有最小壁厚，径向支撑支柱70(为清晰移除腔壁68)可以被打印在腔壁上以提供足够的刚性，同时在本体62的结构内提供空体积72以减轻重量并节省材料。
示例1：在测试如上所述制造的声腔定制的合成射流时，表2示出了针对图9A和图9C中限定的示例性腔形状的经测量标准化速度和标准化总动量。数据表明标准化的经测量总动量增加为超过3倍，从而说明具有变化斜率的锥形腔的功效。
表2
腔形状 标准化速度 标准化总动量
图9A 0.57 0.30
图9C 1.0 1.0
所公开的实施例提供了一种如图11所示的用于产生合成射流的方法。步骤1102，声腔24、54被配置为提供与活塞30和驱动系统32的结构共振匹配的声学共振，并且步骤1104，声腔24、54被定制成具有从腔42、58的接近活塞的范围42、58到孔26、56呈锥形的壁40、60。步骤1106，通过如前所述改变壁的斜率来调节锥形，以提供与具有与活塞和驱动系统的结构共振相匹配的声学共振的圆柱形腔相同的未耦合固有频率。步骤1108，然后进一步调节锥形的斜率以提供在活塞面处具有最大压力的压力分布模态形状。步骤1110，针对匹配共振的一半的未耦合共振结构频率，驱动系统32的弹簧刚度减小为1/4，并且步骤1112，驱动系统32在低于结构共振的频率下操作地以引起活塞的震荡，以增加总动量。
现在已经按照专利法规的要求详细描述了本公开的各种实施例，本领域技术人员将认识到对本文公开的具体实施例的修改和替换。这样的修改在所附权利要求中限定的本公开的范围和意图内。

Claims (14)

1.一种声腔定制的合成射流，其包括：
具有腔的本体，所述腔具有从第一范围到孔呈锥形的壁，其中所述腔能配置为产生与活塞和驱动系统的结构共振匹配的声学共振；以及
所述驱动系统，该驱动系统具有在所述第一范围处被接合到所述腔的所述活塞，所述驱动系统和活塞被配置成用于振荡运动从而在该孔处引起合成射流，
其中所述驱动系统和活塞能够以从所述匹配的声学共振减小的未耦合共振频率进行操作。
2.根据权利要求1所述的声腔定制的合成射流，其中所述锥形具有从所述范围到所述孔变化的斜率。
3.根据权利要求2所述的声腔定制的合成射流，其中所述变化的斜率从所述范围到所述孔是增加的。
4.根据权利要求1所述的声腔定制的合成射流，其中所述驱动系统被配置为以所述匹配的声学共振的一半的未耦合共振频率进行操作。
5.根据权利要求4所述的声腔定制的合成射流，其中，所述驱动系统包括弹簧，所述弹簧具有从与所述匹配的声学共振相等的所述未耦合共振频率的刚度减小为1/4的刚度。
6.根据权利要求1、2、3、4或5所述的声腔定制的合成射流，其中所述孔包括槽。
7.根据权利要求1、2、3、4、5或6所述的声腔定制的合成射流，其中所述孔包括圆形孔洞，并且所述腔关于所述圆形孔洞的中心的法向轴线对称。
8.根据权利要求1、2、3、4、5、6或7所述的声腔定制的合成射流，其中所述锥形能够通过改变所述壁的所述锥形的斜率来进行调节从而提供与圆柱形腔相同的未耦合固有频率，该圆柱形腔具有与所述活塞和驱动系统的所述结构共振匹配的声学共振，并且进一步地其中所述锥形的所述斜率能够调节以提供在活塞面处具有最大压力的压力分布模态形状。
9.根据权利要求1、2、3、4、5、6、7或8所述的声腔定制的合成射流，其中所述锥形具有由至少二阶多项式表征的形状，从而具有由至少一阶多项式表征的变化斜率。
10.一种用于产生合成射流的方法，其包括：
配置腔以提供与活塞和驱动系统的结构共振匹配的声学共振，其中所述驱动系统和活塞能够以从所述匹配的声学共振减小的未耦合共振频率进行操作；
定制所述腔以具有从所述腔的接近所述活塞的范围到孔呈渐缩的壁；以及
操作所述驱动系统以引起所述活塞的震荡。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括：
针对所述匹配的声学共振的一半的所述未耦合共振频率，将所述驱动系统的弹簧刚度减小为1/4。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其中定制所述腔的步骤包括：改变所述壁的从所述范围到所述孔的锥形的斜率。
13.根据权利要求12所述的方法，其中改变所述斜率包括：从所述范围到所述孔逐渐增大所述壁的所述锥形的所述斜率。
14.根据权利要求13所述的方法，其中改变所述斜率包括：改变所述壁的所述锥形的所述斜率以匹配圆柱形腔的未耦合固有频率并且调节所述斜率以提供在接近所述活塞的所述范围处具有最大浓度的声学模态形状压力分布。
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