CN203260319U - 一种对称Helmholtz声源的强驻波发生装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种对称Helmholtz声源的强驻波发生装置，包括声波导管和安装于声波导管两端对称的Helmholtz声源，Helmholtz声源通过导线与信号源并联，即一对Helmholtz声源的正极同时与信号源的正极相连，一对Helmholtz声源的负极同时与信号源的负极相连；Helmholtz声源包括与声波导管在同一轴线上且依次串联的电声换能器、空腔和打孔隔板，打孔隔板的中部具有通孔，打孔隔板的端面与声波导管的管口固定连接；电声换能器辐射声波的频率与Helmholtz声源的共振频率相同，且与声波导管的某阶共振频率相同。本实用新型能利用小型电声换能器产生单频大振幅声压和强驻波声场。

Description

一种对称Helmholtz声源的强驻波发生装置

技术领域

本实用新型涉及一种发声器械，具体涉及一种对称Helmholtz声源的强驻波发生装置。

背景技术

驻波声场被广泛用于声致冷器、微粒从气相或液相介质中的分离、固体颗粒或液滴在谐振腔内的悬浮、声波吸尘器、驻波演示实验和离散状态颗粒粒径分布的测量等领域。而这些领域所用的驻波是单频，对驻波声场声压强度的要求一般很高，因而实践中为了满足增大驻波声场声压强度的需求，多采用大功率电声换能器，实现用增大输入电信号电压幅值来增大声压振幅的方法，这就造成电声换能器的体积较大，重量较重，消耗电功率较高，因而会限制了驻波声场的应用。大多数驻波声场是利用电声换能器直接或中间加隔板间接连接在声波导管的一端，另一端连接声波反射挡板产生反射声波，从而使反射声波和电声换能器产生的入射声波相互干涉，在声波导管内形成驻波声场。而采用此方法在挡板反射入射声波时，由于一部分声波穿过挡板及挡板粗糙表面的散射会产生声能损失，因而也会限制驻波声场的应用。专利文献CN1056176A公开了一种声悬浮装置的谐振跟踪系统，采用柱形谐振腔两端的电声换能器和反射面产生谐振驻波场将固体颗粒或液滴悬浮在指定的声压节点上。该专利申请文件中，一方面驻波的产生方式就采用入射波和反射挡板产生反射波的方法，因而当反射挡板反射声波时，一部分声波穿过挡板及挡板粗糙表面的散射产生声能损失；另一方面，从摘要附图可以看出，电声换能器和谐振腔直接相连，因而可以容易想到在需要更大驻波声场的声压强度满足更大颗粒悬浮时，需要增强电声换能器的输入电信号或者更换具有输出更大声功率的电声换能器，不便于使用常见小型电声换能器，减小了信号源和电声换能器的选型范围。专利文献CN102240189A公开了一种驻波型超声吸尘器及其吸尘方法，采用腔体两端的声辐射面和声反射面产生驻波声场，在驻波声场的节线处开吸尘口，并利用此处的声压辐射力指向腔体内，借助此声辐射力将灰尘吸入腔体内。该专利申请文件中，一方面驻波的产生方式也是采用入射波和反射挡板产生反射波的方法，也存在因声波穿过挡板及挡板粗糙表面散射造成的声能损失；另一方面，从摘要附图也可以看出，电声换能器和腔体直接相连，而增加驻波的声压强度明显对灰尘的吸入作用更加有效，因而可以容易想到在产生比它更大的驻波场声压强度时，也只能增强电声换能器的输入电信号或者更换具有输出更大声功率的电声换能器，前者要求信号源具有更强的功率信号输出能力，后者对换能器的参数要求较高，不便于使用常见小型电声换能器，只能使用特定的大功率电声换能器，选型范围较窄。

Helmholtz共振器具有选频和放大声压的能力。在美国专利申请US2004/0028246的申请文件中，公开了一种扬声器设备，利用声管、扬声器和声室构成Helmholtz共振器，通过构造合适的声管结构，实现从输出Helmholtz谐振频率到声管的谐振频率的连续频带。该专利申请的技术方案实现的效果是通过改变声管长度使所产生的声波频率可以在一定的频谱内连续变化这样虽然使扬声器设备具有了一定的频谱输出能力，但是声管长度过长会导致声管声阻增加，会消耗一部分声能。并且利用Helmholtz共振器对扬声器声压的增幅作用以及对充分发挥声压放大能力的方法并未涉及。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本实用新型提供能一种能利用小型电声换能器产生大振幅声压和强驻波声场的对称Helmholtz声源的强驻波发生装置。

技术方案：为解决上述技术问题，本实用新型提供的一种对称Helmholtz声源的强驻波发生装置包括声波导管和安装于声波导管两端对称的Helmholtz声源，所述Helmholtz声源通过导线与信号源并联，即一对Helmholtz声源的正极同时与信号源的正极相连，一对Helmholtz声源的负极同时与信号源的负极相连；所述Helmholtz声源包括与声波导管在同一轴线上且依次串联的电声换能器、空腔和打孔隔板，所述打孔隔板的中部具有通孔，所述打孔隔板的端面与声波导管的管口固定连接；所述电声换能器辐射声波的频率与Helmholtz声源的共振频率相同，且与声波导管的某阶共振频率相同。

作为优选，当电声换能器的外径小于所述空腔的内径时，所述电声换能器与空腔之间连接有连接盖板。

作为优选，所述空腔是等截面的圆柱形。

作为优选，所述电声换能器是小型电磁式电声换能器。

作为优选，所述电声换能器是小型压电式电声换能器。

有益效果：本实用新型通过采用在声波导管安装对称的Helmholtz声源形成强驻波发生装置，具有以下有益效果：

1）可以使用小型电声换能器产生强驻波声场，降低了对大功率电声换能器的依赖；

2）电声换能器产生小声压输出时，经过Helmholtz声源的声压放大作用也可以产生大的声压输出，降低对信号源输出信号强度的需求，实现在产生相同的声压时允许输入更小的电压幅值，故可以选择使用小功率信号源；

3）利用Helmholtz声源产生的两列相向行波产生强驻波声场，不会引起声波导管末端挡板在产生反射波时，声波穿过挡板或因粗糙表面散射造成的声能损失。

附图说明

图1是本实用新型的实施例的结构示意图；

图2是本实用新型的实施例中测试装置的结构示意图；

图3是本实用新型的实施例中对比装置的结构示意图；

图4是图2中测试装置的声压曲线；

图5是图3中对比装置的声压曲线；

图中：1声波导管，2Helmholtz声源，3Helmholtz声源，4导线，5信号源，6电声换能器，7空腔，8打孔隔板，8-1通孔，9连接盖板，10传声器，11采集总线，12采集模块，13电脑。

具体实施方式

实施例：本实施例的一种对称Helmholtz声源的强驻波发生装置的结构如图1所示，包括声波导管1和安装于声波导管1两端对称的Helmholtz声源2和3，Helmholtz声源2和3通过导线4与信号源5并联，即一对Helmholtz声源2和3的正极同时与信号源5的正极相连，一对Helmholtz声源2和3的负极同时与信号源5的负极相连；Helmholtz声源2和3包括与声波导管1在同一轴线上且依次串联的电声换能器6、空腔7和打孔隔板8，打孔隔板8的中部具有通孔8-1，电声换能器6的外径小于空腔7的内径，在电声换能器6与空腔7之间连接有连接盖板9。空腔7的形状优选为等截面的圆柱形，电声换能器6选用现有的小型电磁式电声换能器或小型压电式电声换能器。电声换能器6辐射声波的频率与Helmholtz声源2和3的共振频率相同，且与声波导管1的某阶共振频率相同。

上述对称Helmholtz声源的强驻波发生装置和方法的工作原理及过程是：信号源5产生具有与Helmholtz声源2和3共振频率相等的一定电压幅值的电信号，并通过导线4与Helmholtz声源2和3的电声换能器6相连，电声换能器6产生相应频率和声压幅值的声波，该声波在空腔7与通孔8-1形成的空气柱内做类似活塞的往复运动，声压得到了增强后再从通孔8-1向声波导管1辐射，两端的Helmholtz声源2和3相向辐射的声波在声波导管1内干涉，形成强驻波声场。

本实施例通过以下方式来构造Helmholtz声源和声波导管来实现频率相同：

1）根据Helmholtz声源的共振频率f₀表达式，设计Helmholtz声源的结构参数。Helmholtz声源的共振频率f₀表达式是：

$f_0=\frac{c}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{\mathrm{\π}{d}_n^2/4}{(l_n+0.73d_n)(l_t\mathrm{\π}{d}_t^2/4)}}$

式中，c为声速，设计时为常数，d_n为通孔直径，l_n为通孔长度，d_t为空腔的直径，l_t为空腔的长度。

2）根据声波导管的固有本征共振频率f_n的表达式，设计声波导管的结构参数。本征共振频率f_n的表达式是：

$f_n=\frac{\mathrm{nc}}{{2L}_x}$

式中n=1,2，^…为共振阶数，c为声速，设计时为常数，L_x是声波导管的长度。

3）将驻波的频率，声压节点数（声压幅值最小的位置）作为已知约束值，分别设计Helmholtz声源和声波导管的结构参数。设驻波声场的频率为f_N-1，声压节点数为N，分别代表已知约束的条件。进一步，得出N-1为声波导管共振频率f_N-1的对应阶和Helmholtz声源的共振频率f₀=f_N-1。因此，根据

计算出声波导管的长度L_x。在计算Helmholtz声源的结构参数时，考虑到把圆柱形截面的空腔作为空腔，结合Helmholtz声源的共振频率 $f_0=\frac{c}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{\mathrm{\π}{d}_n^2/4}{(l_n+0.73d_n)(l_t\mathrm{\π}{d}_t^2/4)}}$ 知 $f_0\∝\sqrt{\frac{d_n^2}{l_n+0.73d_n}},$ $f_0\∝\sqrt{\frac{1}{l_t}},$ $f_0\∝\frac{1}{d_t},$ 进一步可知f₀随空腔长度l_t和直径d_t的变化灵敏，另外考虑到在空腔的直径d_t不宜连续改变（比如使用管材时，管材的直径型号比较固定），隔板厚度l_n作为通孔的长度l_n，通孔直径d_n和通孔的长度l_n都不能任意改变，由此可知，通过改变空腔的长度l_t来改变Helmholtz声源的共振频率f₀是比较方便的设计方法。进一步，根据选定的小型电声换能器的直径，选定厚度的板材和管材，即通孔长度l_n、空腔的直径d_t为确定值，确定连接盖板的尺寸，并选定合适的通孔直径d_n，其中，通孔直径d_n按通孔的横截面积不大于声波导管的横截面积并小于空腔的横截面积确定。最后，根据 $l_t={\left(\frac{c}{2\mathrm{\π}{f}_0}\right)}^2\left(\frac{\mathrm{\π}{d}_n^2/4}{(l_n+0.73d_n)(\mathrm{\π}{d}_t^2/4)}\right)$ 计算并确定空腔的长度l_t。

采用以上尺寸约束关系，本实施例的一种对称Helmholtz声源的强驻波发生装置的声波导管选用圆管，长度L_x=419mm，直径35mm，采用声波导管的3阶共振频率1.286kHz作为声波导管的设计共振频率；Helmholtz声源的尺寸如下：通孔直径d_n=8mm、通孔长度l_n=5mm、空腔长度l_t=9mm、空腔直径d_t=35mm，Helmholtz声源的共振频率为1.286kHz；板材和管材都采用有机玻璃材料。电声换能器采用小型电磁式扬声器，直径为35mm，电阻为10Ω。信号源的输出信号频率是1.286kHz，幅值是0.75V,正弦波形。

本实施例的测试装置如图2所示，是在图1的基础上在声波导管中1增加了用于采集声压数据的传声器10、采集总线11、采集模块12和电脑13；传声器10包括x_1～9，其中x₃x₅x₇是声波导管1的四等分点和x₂x₄x₅x₆x₈是声波导管1的六等分点，x₁x₉距离声波导管1两端10mm。

上述测试装置的对比装置如图3所示，与图2的区别在于没有打孔隔板和空腔，电声换能器6直接与声波导管1连接，即图3中的声源不是Helmholtz声源，对比装置的其他条件均与测试装置相同。

测试过程中，一组传声器10通过采集总线11将声波导管1中不同点的声压分别传送到采集模块12中，最后由电脑记录统计，生成如图4和图5的声压曲线，其中图4是测试装置的声压曲线，图2是对比装置的声压曲线，将两组曲线比较可知，在实例信号源的相同输入信号条件下，无Helmholtz声源时声波导管内形成的最大驻波声压幅值为3.3pa，有Helmholtz声源时声波导管内产生的最大声压幅值40.5pa，因此，有Helmholtz声源时在声波导管内形成的最大驻波声压幅值远大于无Helmholtz声源的情况，声压幅值放大40.5/3.3=12.3倍。所以，本实用新型的一种对称Helmholtz声源的强驻波发生装置能产生更大的驻波声场强度。

Claims (5)

1.一种对称Helmholtz声源的强驻波发生装置，其特征在于包括：声波导管和安装于声波导管两端对称的Helmholtz声源，所述Helmholtz声源通过导线与信号源并联，即一对Helmholtz声源的正极同时与信号源的正极相连，一对Helmholtz声源的负极同时与信号源的负极相连；所述Helmholtz声源包括与声波导管在同一轴线上且依次串联的电声换能器、空腔和打孔隔板，所述打孔隔板的中部具有通孔，所述打孔隔板的端面与声波导管的管口固定连接；所述电声换能器辐射声波的频率与Helmholtz声源的共振频率相同，且与声波导管的某阶共振频率相同。

2.根据权利要求1所述的一种对称Helmholtz声源的强驻波发生装置，其特征在于：所述电声换能器的外径小于所述空腔的内径，所述电声换能器与空腔之间连接有连接盖板。

3.根据权利要求2所述的一种对称Helmholtz声源的强驻波发生装置，其特征在于：所述空腔是等截面的圆柱形。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种对称Helmholtz声源的强驻波发生装置，其特征在于：所述电声换能器是小型电磁式电声换能器。

5.根据权利要求1、2或3所述的一种对称Helmholtz声源的强驻波发生装置，其特征在于：所述电声换能器是小型压电式电声换能器。

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