CN113058361A - 变频式高强气流声源及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变频式高强气流声源及其使用方法。本发明包括喷嘴、谐振腔、中心杆、活动杆、支撑架、连接杆及安装在谐振腔内的活塞与弹簧；所述喷嘴与谐振腔在同一条轴线上，两者通过连接杆固定；喷嘴与中心杆通过支撑架连接，喷嘴与中心杆在同一条轴线上；支撑架包括若干支撑杆，各支撑杆均分别与中心杆和喷嘴内壁固定连接，各支撑杆之间的间隙作为进气口；活塞采用所述的弹簧与谐振腔底部相连；谐振腔的内侧开口，外侧封闭；活动杆的一端置于中心杆内且可滑动，另一端与活塞连接，所述的活动杆贯穿喷嘴的出气口。本发明可以通过调整进气压力，改变谐振腔的密封部分深度，获取想要的发声频率。

Description

变频式高强气流声源及其使用方法

技术领域

本发明涉及气流声源与颗粒团聚技术领域，特别是一种变频式高强气流声源及其使用方法。

背景技术

随着工业的发展和人们生活水平的提高，大气环境污染也越来越严重，其污染组成成分非常复杂，主要包括固体颗粒污染物和其他气态污染物体。其中最具代表性的为PM_2.5和PM₁₀细颗粒污染物，这是造成雾霾的主要原因，而且细污染物除了降低空气质量以外还能吸附重金属等有害成分，进入人体循环系统，对人造成严重的健康威胁。

目前广泛使用的静电除尘器等常规除尘设备，脱除工业排放的细颗粒污染物，这些设备总脱除效率较高，但对PM_2.5的脱除率却很低。因此，提高除尘器的PM_2.5捕集效率成了颗粒物污染控制领域的研究重点和难点。而声波团聚技术则是一种非常具有潜力的细颗粒物预处理技术，在提高除尘除雾效率上面具有非常明显的效果。

频率是声波团聚机理极为重要的影响因素之一，它的变化将会改变团聚过程的整体效率。对于给定粒径分布的气溶胶，存在一个最佳团聚频率，但是在工业生产中气溶胶的粒径变化较大，最佳团聚频率时常会发生改变。

目前已有部分气流声源装置用于声波团聚，如申请公布号为CN111228940A的中国发明专利公开了一种用于声波团聚的声源装置，属于环保设备技术领域。该装置包括连接管道、喇叭罩及安装于喇叭罩内的喷嘴、中心连杆和共鸣腔；所述连接管道设置于喇叭罩的中心位置，连接管道的第一端位于喇叭罩外，第二端位于喇叭罩内且周侧设置有若干通气孔；所述喷嘴安装于连接管道的第二端且喷嘴的开口朝向喇叭罩开口设置；所述中心连杆的第一端伸入喷嘴内部与连接管道的第二端固定连接，中心连杆的第一端设置有凸部，与喷嘴形成狭缝；所述共鸣腔安装于中心连杆的第二端。该装置设计初期便已确定具体发声频率，当团聚颗粒物粒径发生变化后，其频率将不再是最佳团聚频率，团聚效率将大幅度减小。

因此，需要开发一种可变频的高强气流声源，通过调节进气压力，改变发声频率，获取此工况下的最佳团聚频率。

发明内容

为进一步提高声波团聚的效率，使声波团聚技术应用于实际工业生产中，本发明提供一种变频式高强气流声源及其使用方法，其通过调节进气压力的方法改变谐振腔的密封部分深度，改变气流声源的发声频率，以有效、便捷地调节声源的发声频率。

本发明采用的技术方案为：一种变频式高强气流声源，包括喷嘴、谐振腔、中心杆、活动杆、支撑架、连接杆及安装在谐振腔内的活塞与弹簧；

所述喷嘴与谐振腔在同一条轴线上，两者通过连接杆固定；

所述喷嘴与中心杆通过支撑架连接，喷嘴与中心杆在同一条轴线上；

所述支撑架包括若干支撑杆，各支撑杆均分别与中心杆和喷嘴内壁固定连接，各支撑杆之间的间隙作为进气口；

所述活塞采用所述的弹簧与谐振腔底部相连；所述谐振腔的内侧开口，外侧封闭；

所述活动杆的一端置于中心杆内且可滑动，另一端与活塞连接，所述的活动杆贯穿喷嘴的出气口。

本发明的气流声源由空气压缩机提供气源，本发明的气流声源在不同进气压力下会产生不同频率的声波。

进一步的，所述活塞、弹簧与谐振腔在同一条轴线上。

进一步的，所述喷嘴与谐振腔之间的间距与喷嘴出气口的直径之比为1.1～2.0:1。在该比例范围内谐振腔处于湍流混合区，更利于所述气流声源在工作压力下产生强度足够的高强声场。

进一步的，所述谐振腔的入口直径与喷嘴的出气口直径之比为1.33:1～2.5:1。谐振腔的入口直径与喷嘴的出气口直径之比在该范围之内更利于所述气流声源在工作压力下产生强度足够的高强声场。

进一步的，所述谐振腔的内壁面设有凸台，凸台距谐振腔底的距离为谐振腔总长的2/3，凸台能够有效防止弹簧回弹时将活塞弹出谐振腔。

进一步的，所述支撑架由四条呈“十”字形分布的支撑杆组成，所述的连接杆有多根，呈周向均布或对称分布。

进一步的，所述中心杆内用于放置活动杆的滑槽长度大于弹簧原长，当弹簧被完全压缩时，活动杆的部分仍置于中心杆内，避免活动杆与中心杆脱开。

进一步的，所述谐振腔内壁光滑，活塞与谐振腔内壁之间留有一空隙，空隙尺寸小于等于0.1mm，空隙处用油进行密封。空隙能使活塞能在谐振腔中自由滑动，而用油密封是防止气流冲进弹簧所在空间，对声源的发声效果造成影响。

进一步的，所述喷嘴的进气口通过管道连接空气压缩机，空气压缩机提供气流的压强大于0.2MPa，在此条件下，改变进气压力使声源发声强度的发声变化的幅度不大。

进一步的，所述弹簧的弹性系数需通过气流声源频率的计算公式与弹簧弹性系数计算公式相结合计算可得，气流声源频率计算公式为：

式中f为频率，c为声速，L为谐振腔的密封部分深度；弹簧弹性系数计算公式为：

式中K为弹性系数，σF为弹簧所受压力变化量，σL为弹簧变形长度。弹簧弹性系数的值根据实际尺寸参数计算应为确定值。

本发明还提供一种采用上述变频式高强气流声源更改声源频率的方法，其步骤如下：空气压缩机给予喷嘴压缩空气，压缩空气经喷嘴以高速射流形式喷出，与活塞相撞后，气流反弹回谐振腔口，与射入的高速气流相撞，对周围气体产生扰动，发出声音；同时高速射流会对活塞施加压力，使弹簧受压缩变形，活塞向谐振腔底部滑动，谐振腔的密封部分深度发生改变，该气流声源的发声频率受谐振腔的密封部分深度影响，可调节进气压力对活塞施加不同的压力，改变谐振腔的密封部分深度，从而改变频率。

本发明具有的有益效果为：

1、本发明的变频式高强气流声源，对现有的声源进行改进，在谐振腔中加入活塞，将活塞与谐振腔底通过弹簧连接，可以通过调节进气压力的方法改变谐振腔的密封部分深度，从而改变气流声源的发声频率，此结构能够有效、便捷地调节声源的发声频率。

2、本发明的变频式高强气流声源，可用于工业烟气除尘，工业生产中的气溶胶颗粒根据粒径的不同，存在不同的最佳团聚频率。工业生产时，工况发生改变可能会导致气溶胶粒径发生改变，最佳团聚频率发生变化。此时可以尝试用不同的进气压力，改变声源不同的频率，重新找到最优频率进行声波团聚。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明具体实施方式中气流声源的结构示意图；

图2为本发明具体实施方式中气流声源的剖视图；

图3为本发明具体实施方式中气流声源的左视图；

图4为图2的部分放大示意图；

图5为图2中A-A的剖面结构示意图；

图6为本发明具体实施方式中进气压力与声压级的关系图；

图7为本发明具体实施方式中声源在0.1MPa至0.4MPa进气压力下的频谱分析结果图：(a)进气压力为0.1MPa时，频率为1.5kHz；(b)进气压力为0.2MPa时，频率为1.5kHz；(c)进气压力为0.3MPa时，频率为1.48kHz；(d)进气压力为0.3MPa时，频率为1.48kHz。

图8为本发明具体实施方式中气流声源发声频率与谐振腔的密封部分深度的关系图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例仅仅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。

实施例1

如图1-图5所示，一种变频式高强气流声源，包括喷嘴1、谐振腔2、中心杆3、活动杆4、支撑架7、连接杆8及安装在谐振腔内的活塞5与弹簧6，所述喷嘴1与谐振腔2在同一条轴线上，通过连接杆8固定。所述喷嘴1与中心杆3通过支撑架7连接，喷嘴1与中心杆3在同一条轴线上。所述支撑架7由四条呈“十”字形分布的支撑杆组成，各支撑杆均分别与中心杆3和喷嘴1内壁固定连接，各支撑杆之间的间隙作为进气口。所述活塞5放置于谐振腔2内部，并用弹簧6与谐振腔2底部相连。所述谐振腔2的内侧开口，外侧封闭。所述的连接杆有4根，呈周向对称分布。

喷嘴进气口1-1通过管道连接至空气压缩机(图中未示出)，空气压缩机为气流声源提供气源，空气压缩机提供高压气源的压强应大于0.2MPa。如图6所示，进气压力为0.2MPa以上后，改变进气压力，声压级的变化幅度基本在3dB左右，因此改变进气压力对声强的影响不大。

所述活动杆4的一端置于中心杆3内且可滑动，另一端与活塞5连接，所述的活动杆4贯穿喷嘴1的出气口。

所述活动杆4细端连接至中心杆3内部，可在中心杆3内部滑动，粗端与活塞5相连，活动杆4细端长度要大于弹簧6原长；所述活塞5、弹簧6与谐振腔2底部同轴相连。谐振腔2壁面设有凸台，凸台距谐振腔2底约为谐振腔2总长的2/3，凸台能够有效防止弹簧6回弹时将活塞5弹出谐振腔2。

喷嘴1与谐振腔2(腔开口端)之间的间距与喷嘴1出气口的直径之比为1.1～2.0:1。在该比例范围内谐振腔2处于湍流混合区，更利于气流声源在工作压力下产生强度足够地高强声场。谐振腔2的入口直径与喷嘴出气口1-2的直径之比为1.33:1～2.5:1，谐振腔2的入口直径与喷嘴出气口1-2的直径之比在该范围之内更利于所述气流声源在工作压力下产生强度足够的高强声场。

谐振腔2内壁光滑，活塞5与谐振腔2壁面之间留有一定空隙，空隙尺寸小于等于0.1mm，空隙处用油进行密封。空隙能使活塞5能在谐振腔2中自由滑动，而用油密封是防止气流冲进弹簧6所在空间，对声源的发声效果造成影响。

采用所述装置更改声源频率的方法，其内容如下：空气压缩机给予喷嘴1压缩空气，压缩空气经喷嘴1以高速射流形式喷出，与活塞5相撞后，对活塞5施加压力，使活塞5与谐振腔2底部相连的弹簧6压缩变形，活塞5向谐振腔2底部滑动，谐振腔2内的密封部分深度发生改变。该气流声源的发声频率受谐振腔2的密封部分深度影响，因此可调节进气压力对活塞5施加不同的压力，改变谐振腔2的密封部分深度，从而改变频率。

如图7所示，为气流声源在0.1MPa至0.4MPa进气压力下的频谱分析结果，说明气流声源能够良好的发声，同时进气压力的大小不会对气流声源的发声频率造成太大的影响。

如图8所示，为气流声源发声频率与谐振腔2的密封部分深度的关系，随着谐振腔2的密封部分深度的增加，频率逐渐变小，两者间关系接近线性，通过确定谐振腔的密封部分深度可以获取想要的声源发声频率。弹簧6的弹性系数需通过气流声源确定频率的计算公式，和弹簧6弹性系数计算公式进行确定，其数值应根据实际尺寸参数计算为确定值。

实施例2

在实施例1的基础上，谐振腔2底部与活塞5之间的弹簧6数量可以增添至2-4个，呈周向均布或对称分布，增加弹簧6数量可以使谐振腔2与活塞之间的连接更加稳定。此时，所述活塞5与谐振腔2在同一条轴线上，但弹簧6与活塞5或谐振腔2不在同一条轴线上。

Claims (10)

1.变频式高强气流声源，包括喷嘴(1)、谐振腔(2)、中心杆(3)、活动杆(4)、支撑架(7)、连接杆(8)及安装在谐振腔(2)内的活塞(5)与弹簧(6)，其特征在于：

所述喷嘴(1)与谐振腔(2)在同一条轴线上，两者通过连接杆(8)固定；

所述喷嘴(1)与中心杆(3)通过支撑架(7)连接，喷嘴(1)与中心杆(3)在同一条轴线上；

所述支撑架(7)包括若干支撑杆，各支撑杆均分别与中心杆(3)和喷嘴(1)内壁固定连接，各支撑杆之间的间隙作为进气口；

所述活塞(5)采用所述的弹簧(6)与谐振腔(2)底部相连；所述谐振腔(2)的内侧开口，外侧封闭；

所述活动杆(4)的一端置于中心杆(3)内且可滑动，另一端与活塞(5)连接，所述的活动杆(4)贯穿喷嘴(1)的出气口。

2.如权利要求1所述的变频式高强气流声源，其特征在于：所述活塞(5)、弹簧(6)与谐振腔(2)在同一条轴线上。

3.如权利要求1所述的变频式高强气流声源，其特征在于：所述喷嘴(1)与谐振腔(2)之间的间距与喷嘴(1)出气口的直径之比为1.1～2.0:1。

4.如权利要求1所述的变频式高强气流声源，其特征在于：所述谐振腔(2)的入口直径与喷嘴(1)的出气口直径之比为1.33:1～2.5:1。

5.如权利要求1所述的变频式高强气流声源，其特征在于：所述谐振腔(2)的内壁面设有凸台，凸台距谐振腔底的距离为谐振腔(2)总长的2/3。

6.如权利要求1所述的变频式高强气流声源，其特征在于：所述支撑架(7)由四条呈“十”字形分布的支撑杆组成，所述的连接杆(8)有多根，呈周向均布或对称分布。

7.如权利要求1所述的变频式高强气流声源，其特征在于：所述中心杆(3)内用于放置活动杆(4)的滑槽长度大于弹簧(6)原长，当弹簧(6)被完全压缩时，活动杆(4)的部分仍置于中心杆(3)内，避免活动杆(4)与中心杆(3)脱开。

8.如权利要求1所述的变频式高强气流声源，其特征在于：所述谐振腔(2)内壁光滑，活塞(5)与谐振腔(2)内壁之间留有一空隙，空隙尺寸小于等于0.1mm，空隙处用油进行密封。

9.如权利要求1所述的变频式高强气流声源，其特征在于：所述喷嘴(1)的进气口通过管道连接空气压缩机，空气压缩机提供气流的压强大于0.2MPa。

10.采用权利要求1-9任一项所述变频式高强气流声源更改声源频率的方法，其特征在于：空气压缩机给予喷嘴压缩空气，压缩空气经喷嘴以高速射流形式喷出，与活塞相撞后，气流反弹回谐振腔口，与射入的高速气流相撞，对周围气体产生扰动，发出声音；同时高速射流会对活塞施加压力，使弹簧受压缩变形，活塞向谐振腔底部滑动，谐振腔的密封部分深度发生改变，该气流声源的发声频率受谐振腔的密封部分深度影响，可调节进气压力对活塞施加不同的压力，改变谐振腔的密封部分深度，从而改变频率。

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