CN111158002A

CN111158002A - 一种声波云雾室

Info

Publication number: CN111158002A
Application number: CN201911425948.0A
Authority: CN
Inventors: 裘钧; 李芳芳; 程亮; 王光谦; 魏加华; 翁燕章
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2019-12-31
Filing date: 2019-12-31
Publication date: 2020-05-15
Anticipated expiration: 2039-12-31
Also published as: CN111158002B

Abstract

本发明涉及云雾研究技术领域，具体涉及一种声波云雾室。其包括本体、消声组件、声源组件、制雾组件、温湿压控制组件和测量组件，本体内部为测试室；消声组件设置在本体上，用于吸收测试室内的声波；声源组件的声源出口朝向测试室；制雾组件的制雾出口与测试室连通；温湿压控制组件设置在本体上，用于控制测试室内的温度；测量组件具有位于测试室内的测试端。声波云雾室内具有稳定的测试环境，且该测试环境可以有效模拟低温、低气压、任意湿度高空云雾情况，模拟声波在无限空间单向传播情况，由测量组件测量测试室内小水滴的物理变化过程，从而得到声波影响液滴行为的相关机制。

Description

一种声波云雾室

技术领域

本发明涉及云雾研究技术领域，具体涉及一种声波云雾室。

背景技术

发声体产生的振动在空气或其他物质中的传播叫做声波，声波借助各种介质向四面八方传播。行波是指平面波在传输线上的一种传输状态，其幅度沿传播方向按指数规律变化，相位沿传输线按线性规律变化。驻波是指频率相同、传输方向相反的两种波，沿传输线形成的一种分布状态。云是大气中的水蒸气遇冷液化成的小水滴或凝华成的小冰晶，所混合组成的漂浮在空中的可见聚合物。在水汽充足、微风及大气稳定的情况下，相对湿度达到100％时，空气中的水汽便会凝结成细微的水滴悬浮于空中，使地面水平的能见度下降，这种天气现象称为雾。声波在大气中的传输一般为行波，研究声波特性参数对云雾物理过程的影响规律，探索声波对云雾场的作用效果，可以以声波为干预手段实现对云水资源的利用。

发明内容

因此，本发明提供一种能够研究声波特性参数对云雾物理过程的影响规律、环境高可控性的声波云雾室。

为解决上述问题，本发明的声波云雾室，包括本体、消声组件、声源组件、制雾组件、温湿压控制组件和测量组件，本体内部为测试室；消声组件设置在所述本体上，用于吸收所述测试室内的声波；声源组件的声源出口朝向所述测试室；制雾组件的制雾出口与所述测试室连通；温湿压控制组件设置在所述本体上，用于控制所述测试室内的温度；测量组件具有位于所述测试室内的测试端。

所述消声组件位于所述测试室的侧壁上。

所述消声组件包括消音保温壁面。

所述本体包括位于上侧的实验层，和位于所述实验层下侧的设备层，所述实验层内部为所述测试室。

所述声源组件设置在所述本体的设备层内，位于设备层的中部处，设备层和实验层之间的隔板上具有所述声源出口，所述声源组件发出的声波通过所述声源出口进入到所述测试室内。

所述声源组件包括气流阻挡式发声器和反射体。

所述制雾组件包括高压微雾系统。

所述温湿压控制组件设置在所述本体的顶壁和/或所述本体的隔板处。

所述温湿压控制组件包括设置在所述本体顶壁上的顶部水暖/水冷组件，和/或设置在设备层靠近所述隔板处的底部水暖/水冷组件，和/或设置在所述顶壁上的辅助空调系统。

所述温湿压控制组件还包括加湿器和低速通风设备。

还包括设置在本体顶壁的白光LED照明组件。

所述测量组件包括温度测量组件，和/或照度测量组件，和/或滴谱测量组件，和/或露点仪，和/或风速测量组件，和/或声压测量组件。

还包括投放端与所述测试室内连通的气凝胶投放组件。

所述本体的顶壁上设置有清洗喷淋组件，所述清洗喷淋组件的喷淋口与所述测试室连通。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明的声波云雾室，包括本体、消声组件、声源组件、制雾组件、温湿压控制组件和测量组件，本体内部为测试室；消声组件设置在所述本体上，用于吸收所述测试室内的声波；声源组件的声源出口朝向所述测试室；制雾组件的制雾出口与所述测试室连通；温湿压控制组件设置在所述本体上，用于控制所述测试室内的温度；测量组件具有位于所述测试室内的测试端。消声组件吸收声源组件发出的绝大部分传导到消声组件上的声波，制雾组件产生的水雾通过制雾出口进入到所述测试室内，在测试室内形成稳定的水雾环境，温湿压控制组件控制测试室内的温湿压，消声组件、制雾组件和温湿压控制组件的设置使得声波云雾室内具有稳定的测试环境，且该测试环境可以有效模拟低温、低气压、任意湿度高空云雾情况，模拟声波在无限空间单向传播情况，由测量组件测量测试室内小水滴的物理变化过程，从而得到声波影响液滴行为相关机制，即，声波云雾室能够研究声波特性参数对云雾物理过程的影响规律，并且具有环境高可控性。

2.本发明的声波云雾室，所述消声组件位于所述测试室的侧壁上，消声组件可以吸收声源组件发出的绝大部分传导到测试室侧壁的声波，使得测试室内的声波为行波，保证了测试室中声波的单向传播，和声场分布的稳定性。

3.本发明的声波云雾室，所述声源组件的设置位置，能够模拟大气中在地表上使用声源组件的情况，以便于将测试结果在自然界中的应用。

4.本发明的声波云雾室，实验层和设备层分别用于测试室内的测试和设备的安装，实验层和设备层分开设置能够减小设备对实验层内测试室的影响，以及测试室内环境对设备的影响。

5.本发明的声波云雾室，高压微雾系统可以自由选择喷雾间隔时间、喷头种类、喷头数目、喷头位置等，实现喷雾时间、位置、大小的精确控制，并且水温可调节，喷出的水雾温度也可控制，使所述测试室内的环境具有高可控性。

6.本发明的声波云雾室，顶部水暖/水冷组件能够使所述测试室内形成顶层温度高于底层温度的逆温效果，底部水暖/水冷组件能够对所述测试室的增温调控起主要作用，辅助空调系统能够辅助顶部水暖/水冷组件和底部水暖/水冷组件对所述测试室内温度的调控，扩大温度调节范围。

7.本发明的声波云雾室，加湿器和低速通风设备的设置，可以将加湿器产生的水雾均匀的扩散到云雾室内，使得云雾室内具有要求的水雾量和均匀性。

8.本发明的声波云雾室，LED照明组件的设置，可以模拟日光对云雾的影响，且能够减少因LED照明组件辐射造成的所述测试室内增温。

9.本发明的声波云雾室，气凝胶使得测试室内具有细小固体，以最大程度的模仿自然界中的空气杂质，进而使得测得的声波特性参数对云雾物理过程的影响规律更加的准确。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的声波云雾室的结构示意图；

附图标记说明：

1－本体；2－测试室；3－声源组件；4－制雾组件；5－测量组件；6－测试端；7－消音保温壁面；8－实验层；9－设备层；10－隔板；11－顶部水暖/水冷组件；12－底部水暖/水冷组件；13－空调系统；14－照明组件；15－气凝胶投放组件；16－进雾预冷装置；17－清洗喷淋组件。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本实施例中的声波云雾室，具有环境高可控性，如图1所示，包括本体1、消声组件、声源组件3、制雾组件4、温湿压控制组件、测量组件5、照明组件14和气凝胶投放组件15。

所述本体1的体积较大，包括位于上侧的实验层8，和位于所述实验层8下侧的设备层9，在实验层8和测试层之间设置有隔板10，所述实验层8的内部为测试室2。实验层8和设备层9分开设置能够减小设备对测试室2内环境的影响，以及测试室2内环境对设备的影响。本体1的形状可以使用需求设置，本实施例中，如图1所示，所述本体1为长方体，实验层8的长宽高为5m＊5m＊5m，设备层9的长宽高为5m＊5m＊2m。

消声组件设置在所述本体1上，位于所述测试室2的内壁上，用于吸收声源组件3发出的绝大部分传导到测试室2侧壁的声波，使得测试室2内的声波为行波，以使得测试室2内能够模拟自然界中地表声源对云雾的影响。本实施例中，所述消声组件选用消音保温壁面7，消音保温避免即能够吸收声波，又能够保证测试室2内的温度，减少所述本体1外界环境对所述测试室2内温度的影响。

所述声源组件3设置在所述本体1的设备层9内，位于设备层9的中部处，设备层9和实验层8之间的隔板10上具有声源出口，所述声源组件3发出的声波通过所述声源出口进入到所述测试室2内，所述声源出口位于所述隔板10的中部处。声源组件3的选择只要符合使用需求即可，所述声源组件3主要包括气流阻挡式发声器和反射体。本实施例中，声波信号由气流阻挡式发声器产生，经过扩音管、直管号筒、反向器方向，最终经反射面和拢声侧壁将声波发射出去。声源组件3能够满足频率涵盖范围30~1500Hz，出口1m处声压级不低于100db的使用条件。

本实施例中的声波云雾室同时具备在地表模拟高空云雾状态的能力和模拟半无限空间内的声波行波场的能力，最终将用于模拟高空状态下声波对云雾物理过程的作用。从地表发射的声波到达高空，可以认为是声波的点源扩散，因此高空的声波基本处于行波状态，使用本实施例中的声源组件3和消声组件使得测试室2内为沿铅垂向上方向的声行波场。

制雾组件4用于制雾，其制雾出口与所述测试室2连通。制雾组件4的选择只要符合使用需求即可，本实施例中，所述制雾组件4包括高压微雾系统。全自动高压微雾系统由时间控制装置、电路保护装置、加压装置、回流装置、调压装置、过滤储水装置、雾式喷嘴、止滴器、T形管连接器、钢编胶管等部件组成，可以自由选择喷雾间隔时间、喷头种类、喷头数目、喷头位置等，以实现测试室2内喷雾时间、喷雾位置、喷雾大小的精确控制，并且高压微雾系统内的水温可调节，喷出的水雾温度也可控制。高压微雾系统能够实现测试室2内水雾各参数的高可控性。

本实施例中，为了提高测试室2内水雾温度的高可控性，在制雾组件4和测试室2之间还设有进雾预冷装置16。

温湿压控制组件设置在所述本体1上，用于控制所述测试室2内的温度。温湿压控制组件包括温度控制组件和湿度控制组件。

声波云雾室不允许有强热对流发生，因此采用以水暖/水冷为主、以空调为辅的方式进行温度控制。温度控制组件分为三套，包括设置在所述本体1顶壁上的顶部水暖/水冷组件11，能够使所述测试室2内形成顶层温度高于底层温度的逆温效果；设置在设备层9靠近所述隔板10处的底部水暖/水冷组件12，能够对所述测试室2的增温调控起主要作用；设置在所述顶壁上的辅助空调系统13，能够辅助顶部水暖/水冷组件11和底部水暖/水冷组件12对所述测试室2内温度的调控，扩大温度调节范围。

湿度控制组件包括加湿器和低速通风设备。本实施例中，加湿器选用大功率超声波加湿器。超声波加湿器根据超声高频振荡原理，将水雾化为1~5μm的微液滴，经过低速通风设备，将水雾均匀扩散到云雾室中，使得云雾室内具有要求的水雾量和均匀性。

测量组件5具有位于所述测试室2内的测试端6。测量组件5根据使用需求进行选择，本实施例中，所述测量组件5包括温度测量组件5、照度测量组件5、滴谱测量组件5、露点仪、风速测量组件5、声压测量组件5。测量组件5能够使得声波云雾室的测试室2内实现对云雾空间的温度、照度、滴谱、含水量、风速、露点及声压的测试。其中，测试室2内温度、滴谱、含水量、风速、声压的测量是相关实验需要的，而测试室2内的露点和照度是作为常规监测手段，实时监测声波云雾室运行过程中出现的异常状体。

测量组件5的选择只要符合使用需求即可，如本实施例中，温度测量组件5采用分布式热电偶测温系统，实现对测试室2内空间温度场测量；照度测量组件5采用自动照度计来确定云雾的相对浓度；雾滴谱观测采用雾滴谱仪，采样频率1Hz，粒径范围2~50μm，并采用空气动力学粒径谱仪测量粒径在0.01~10μm范围内的颗粒，空气动力学粒径谱仪的时间分辨率可以达到1s；露点仪采用露点检测仪，露点温度测量范围为－50~20℃，精度为±2℃＠－50℃；测试室2内的含水量可以由露点仪和雾滴谱仪数据计算得出；风速测量组件5采用超声风速仪，测量三维风速分量、本地声速及声学虚温，测试室2内水平方向和垂直方向风速分量的测量误差分别小于±0.04m/s和0.02m/s，采样频率为10Hz；声压测量组件5采用声强分析仪，测定声波发生器的声功率、云雾室空间声压分布，其中声强探头相位差20－250Hz＜0.05度，灵敏度差＜0.2dB1kHz以下，测试频率范围为20Hz到6.3KHz，测试声压级动态范围为20dB到162dB。

为了模拟日光对云雾的影响，在测试室2内加装照明系统。本实施例中照明组件14为设置在本体1顶壁上的白光LED照明组件14。白光LED照明组件14能够减少测试室2内部的辐射增温，具有与太阳光谱近似的优点，且高效节能。

气凝胶投放组件15的投放端与所述测试室2内连通。凝胶使得测试室2内具有细小固体，以最大程度的模仿自然界中的空气杂质，进而使得测得的声波特性参数对云雾物理过程的影响规律更加的准确。

本实施例中，为了更好的控制测试室2内的雾滴浓度，在所述本体1的顶壁上设置有清洗喷淋组件17。

本实施例中的声波云雾室为大规模高可控性声波云雾室，为了声波云雾室具备在地表模拟高空云雾状态的能力和模拟半无限空间内的声波行波场的能力，声波云雾室需要具有行波场的空间均一性、温湿压场的空间均匀性和云雾滴谱的受控性。在开展实验研究前需要对声波云雾室进行以下性能测试试验：声压空间分布测试；温湿压空间分布测试；进雾、气凝胶受控达标测试等。

在完成声波云雾室性能测试试验后，进行声波特性参数对云雾物理过程的影响规律的研究。本实施例中的声波云雾室性能测试试验将从云雾颗粒特性和背景湍流特性两个角度研究声波频率、声压、声功率对云雾物理过程的影响。主要研究以下几个方面的声波效应：1、不同特性声波作用下云雾颗粒数密度的演化规律；2、不同特性声波作用下云雾颗粒平均粒径的演化规律；3、不同特性声波作用下云雾颗粒沉降特征时间的变化；4、不同特性声波对云雾背景湍流的三维风速脉动场；5、不同特性声波作用下湍流强度和湍动能的响应；6、不同特性声波作用下湍流特征长度变化。通过上述一系列实验，可以探索出声波和云雾发生强耦合时的特性，可以以声波为干预手段实现对云水资源的利用。

进一步的，通过在测试室2内的实验研究，在机理层面上揭示不同天气气压场、风场、湿度、温度等条件下超高功率集束声波影响云水降水转化率的物理机制。将研究成果应用于超高功率集束声波增雨雪新技术的现场实验，通过过程监测和场次效果评估，在不同天气气压场、风场、湿度、温度等条件下，对频率和强度等关键设备参数进行进一步测量和评估，从而为云水资源利用技术的完善提供必需的实验数据。

本实施例中的声波云雾室，消声组件吸收声源组件3发出的绝大部分传导到消声组件上的声波，制雾组件4产生的水雾通过制雾出口进入到所述测试室2内，在测试室2内形成稳定的水雾环境，温湿压控制组件控制测试室2内的温湿压，消声组件、制雾组件4和温湿压控制组件的设置使得测试室2内形成稳定的测试环境，且该测试环境可以有效模拟低温、低气压、任意湿度高空云雾情况，模拟声波在无限空间单向传播情况，由测量组件5测量测试室2内小水滴的物理变化过程，从而得到声波影响液滴行为相关机制，即，声波云雾室内具有地面模拟高空云雾状态的实验环境，能够研究声波特性参数对云雾物理过程的影响规律，并且具有环境高可控性。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims

1.一种声波云雾室，其特征在于，包括：

本体(1)，其内部为测试室(2)；

消声组件，设置在所述本体(1)上，用于吸收所述测试室(2)内的声波；

声源组件(3)，其声源出口朝向所述测试室(2)；

制雾组件(4)，其制雾出口与所述测试室(2)连通；

温湿压控制组件，设置在所述本体(1)上，用于控制所述测试室(2)内的温度；

测量组件(5)，具有位于所述测试室(2)内的测试端(6)。

2.根据权利要求1所述的声波云雾室，其特征在于，所述消声组件位于所述测试室(2)的侧壁上。

3.根据权利要求2所述的声波云雾室，其特征在于，所述消声组件包括消音保温壁面(7)。

4.根据权利要求1－3中任一项所述的声波云雾室，其特征在于，所述本体(1)包括位于上侧的实验层(8)，和位于所述实验层(8)下侧的设备层(9)，所述实验层(8)内部为所述测试室(2)。

5.根据权利要求1－4中任一项所述的声波云雾室，其特征在于，所述声源组件(3)设置在所述本体(1)的设备层(9)内，位于设备层(9)的中部处，设备层(9)和实验层(8)之间的隔板(10)上具有所述声源出口，所述声源组件(3)发出的声波通过所述声源出口进入到所述测试室(2)内。

6.根据权利要求5所述的声波云雾室，其特征在于，所述声源组件(3)包括气流阻挡式发声器和反射体。

7.根据权利要求1－6中任一项所述的声波云雾室，其特征在于，所述制雾组件(4)包括高压微雾系统。

8.根据权利要求1－7中任一项所述的声波云雾室，其特征在于，所述温湿压控制组件设置在所述本体(1)的顶壁和/或所述本体(1)的隔板(10)处。

9.根据权利要求8所述的声波云雾室，其特征在于，所述温湿压控制组件包括设置在所述本体(1)顶壁上的顶部水暖/水冷组件(11)，和/或设置在设备层(9)靠近所述隔板(10)处的底部水暖/水冷组件(12)，和/或设置在所述顶壁上的辅助空调系统(13)。

10.根据权利要求8或9所述的声波云雾室，其特征在于，所述温湿压控制组件还包括加湿器和低速通风设备。

11.根据权利要求1－10中任一项所述的声波云雾室，其特征在于，还包括设置在本体(1)顶壁的白光LED照明组件(14)。

12.根据权利要求1－11中任一项所述的声波云雾室，其特征在于，所述测量组件(5)包括温度测量组件(5)，和/或照度测量组件(5)，和/或滴谱测量组件(5)，和/或露点仪，和/或风速测量组件(5)，和/或声压测量组件(5)。

13.根据权利要求1－12中任一项所述的声波云雾室，其特征在于，还包括投放端与所述测试室(2)内连通的气凝胶投放组件(15)。

14.根据权利要求1－13中任一项所述的声波云雾室，其特征在于，所述本体(1)的顶壁上设置有清洗喷淋组件(17)，所述清洗喷淋组件(17)的喷淋口与所述测试室(2)连通。