NO147461B - Lavfrekvenslydgenerator. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en lavfrekvenslydgenerator, innbefattende et som lydsender anordnet åpent resonansorgan for frembringelse av stående gassbårne lydbølger, som gir et varierende gasstrykk i resonansorganet, og en med bevegelig ventilorgan anordnet mateenhet for ventilregulert tilførsel av en modulert trykkgasstrøm til resonansorganet.

Lydgeneratoren ifølge oppfinnelsen er av den type som omfatter et åpent resonansorgan og en matningsenhet for ventilregulert tilførsel av trykkgasspulser, vanligvis trykk-luftpulser, til resonansorganet.

Det har vist seg at man spesielt ved feiing av kjeler og prosessapparater med anvendelse av lyd kan oppnå betydelig forbedret resultat ved å anvende kraftige pulser eller vibrasjoner med disse lave frekvensene, men til nå har det ikke funnet noe apparat som er høvlig for dette formålet, som kan utnyttes industrielt.

Oppfinnelsen tilgodeser dette behovet ved at en lavfrekvenslydgenerator av den innledningsvis nevnte type for frembringing av intensiv lyd med lav frekvens,og hvor det særegne fremgår av karakteristikken i krav 1.

Oppfinnelsen er således basert på at trykkgasspulser i resonansorganet styres av det genererte lydets frekvens.

Det er altså tale om et tilbakekoblet system, i hvilke til-førselen av trykkgass bringes til å følge lydfrekvensens varia-sjoner .

For å tydeliggjøre oppfinnelsen skal utførelsen derav beskrives nærmere i det følgende med henvisning til vedlagte tegninger, på hvilke

figur 1 er et skjematisk sidesnitt av en lydgenerator

ifølge oppfinnelsen,

figur 2 er et snitt i større skala av selve mateenheten i hvilestilling,

figur 3 og 4 er snitt i likhet med figur 2 av. mateenheten i ulike driftstillinger,

figur 5 er et detaljsnitt i. større skala av en konstruktiv utførelse av mateenheten,

figur 6 er et aksialdelsnitt av en lavfrekvenslydgenerator ifølge oppfinnelsen i noe modifisert utførelse med dertil tilsluttede trykkgasstilførsel- og regulersystem skjematisk, vist, samt

figur 7 er et delvist sidesnitt, delvis i aksialdelen, av en ytterligere modifisert utførelse av lavfrekvenslydgeneratoren ifølge oppfinnelsen.

Den på figur 1-4 viste lydgenerator omfatter et

rør 10, hvilke har en og samme diameter over rørets hele lengde og er åpent i den ene enden, betegnet med 11, samt lukket i den andre enden, betegnet med 12. Et rør med en åpen og en sluttet ende fungerer som et resonansorgan, slik at stående lydbølger kan genereres deri. Disse stående lydbølgene, som har en buk i den åpne enden og en knute i den lukkede enden av resonansrøret, må oppfylle vilkåret

hvor i = resonansrørets lengde,

X = den stående lydbølgens bølgelengde og

n = 0,1,2,3

Den lydbølgen, hvis bølgelengde er en fjerdedel av resonansrørets lengde (£ = A/4, dvs. n=0), kalles grunntonen, mens de øvrige benevnes første overtone, andre overtone etc.

I foreliggende tilfelle antas resonansrøret 10 å ha en lengde, som er lik med en fjerdedel av den frekvensen som skal frembringes i lydgeneratoren.

De stående lydbølgene forårsaker et varierende luft-trykk i resonansrøret, hvorved den største trykkamplituden oppstår i resonansrørets lukkede ende.

Mellom lydens frekvens og bølgelengde er et forhold

der f = lydens frekvens,

c = lydbølgens utbredelseshastighet og

X = bølgelengden.

Når en grunntone genereres i et resonansrør med en åpen og en lukket ende, gjelder ifølge ligningene (1) og (2) forholdet I luft med temperaturen 20°C er lydbølgens ut-bredelseshastlghet 340 m/s. I eksempelvis et resonansrør med lengden 5m blir da grunntonens frekvens med tilpassing av ligningen (3) ovenfor

hvorved fås at frekvensen f = 17 Hz. Lyden skulle således kunne frembringes i et 5m langt resonansrør ved å tilføre luftpulser med frekvensen 17 Hz. Om temperaturen i resonansrøret endres, kommer også lydbølgens utbredelseshastighet til å endres med en endring av frekvensen som følge av ligningen (3) ovenfor.

I den lukkede enden 12 er anordnet en mateenhet

13, som regulerer tilførselen av trykkgass (drivgass) til lydgeneratoren, og vanligvis er det tale om trykkluft, selv om naturligvis også andre drivgasser kan komme på tale, eksempelvis inerte drivgasser.

I utførelsen ifølge figur 1 - 4 er mateenheten 13 oppbygget av en fast del 14, som har formen av en sylinder som tilslutter seg konsentrisk til resonansrøret 10, men har mindre diameter enn dette. I den faste delen er aksielt forskyvbart anordnet en bevegelig del 15 i form av en rørsleid med et re-gulerhull 16. På den faste delen 14 er anordnet to kammer 17A og 17B, som er tilsluttet til vifter, kammeret 17A til en sugevifte, som er betegnet symbolsk med 18A, og kammeret 17B

med en trykkvifte, som er betegnet symbolsk med 18B, slik at i kammerne kan opprettholdes et undertrykk, henholdsvis et overtrykk. Hver av kammerne har et hull 19A, henholdsvis 19B for å gjennom dette hullet kunne settes i forbindelse med det indre av rørsleiden 15 gjennom dennes reguleringshull 16 i avhengighet av hvilken aksialforskyvelsesstilling rørsleiden 15 for dette tilfellet inntar.

Rørsleiden er koplet til et membran 20 som er festet i resonansrøret i dets lukkede ende, og er forskyvbart mot virkningen av en trykkfjær 21 i avhengighet av trykket i resonans-rørets lukkede ende, som virker over membranet 20. I likevektsstilling, som er vist på figur 2, hvorved trykket i resonans-rørets lukkede ende er like stort som omgivelsestrykket, skal rørsleidens 15 stilling være slik at undertrykkskammeret 17A

er helt avstengt fra reson-ansrøret 10, etter som forbindelsen

gjennom hullet 19A via reguleringsfrullet 16 er avstengt, mens overtrykkskammeret 17B derimot gjennom hullet 19B og regulerings-hullet 16 står i forbindelse med rørsleidens indre og således med resonansrørets indre via en liten sprekk 22.

Luft (eller annen gass) under trykk kan således passere gjennom sprekken 22 fra overtrykkskammeret 17B over rørsleiden 15 inn i resonansrøret 10, og ved luftens passasje gjennom mateenheten og resonansrøret oppstår lavfrekvens lyd på grunn av turbulens og friksjon i luftstrømmen.

Den således frembragte lyd påvirker resonansrøret

10 lukkede ende 12 med et varierende trykk,og de oppkommende trykkvariasjonene i resonansrøret setter membranet 20 og der-

med rørsleiden 15 i en fram- og tilbakegående aksialbevegelse med samme frekvens som grunntonens sekvens, som likeledes ovenfor er avhengig av hvorledes resonansrørets 10 lengde (£)

er dimensjonert. Et vilkår for at denne bevegelsen skal oppstå er dog at mateenhetens (13) bevegelige del har en egenfrekvens som ligger mellom grunntonens frekvens og første overtonens frekvens.

Når lydtrykket i resonansrørets lukkede ende har

sin største verdi (overtrykk), presses den rørlige rørsleiden 15 mot høyre mot fjærens 21 påvirkning til stillingen på figur 3, hvorved forbindelsen mellom overtrykkskammeret 17B og reso-nansrøret åpnes ytterligere med den virkningen at trykket i resonansrørets lukkede ende får et tilskudd. Når lydtrykket har sin minste verdi (undertrykk) forskyves derimot rørsleiden 15

mot venstre til stillingen ifølge figur 4, slik at forbindelsen mellom resonansrøret og overtrykkskammeret 17B stenges,, og forbindelsen opprettes mellom resonansrøret og lavtrykkskammeret 17A, med den virkning at trykket i resonansrørets lukkede ende redu-seres ytterligere.

Det fremgår således at det ved start av lydgeneratoren, når den bevegelige delen i mateenheten (membranet 20 og rørsleiden 15) står stille i sinlikevektsstilling ifølge figur 2, og viftene 18A og 18B nettopp settes igang, frembringes en'svak lavfrekvens-lyd i resonansrøret 10 på grunn av luftstrømningen. Denne lyden gir opphav til at den bevegelige delen settes i en oscillerende bevegelse, hvorved lydtrykket i resonansrøret blir stadig kraftig-ere for og etter en viss tid å nå en vedvarende tilstand, i hvilke en intensiv lavfrekvent lyd frembringes i lydgeneratoren.

Funksjonen blir i prinsippet den samme, ogs.å om undertrykkskammeret 17A utelukkes. I den konstruktive utførelsen ifølge figur 5 er dette tilfellet. Membranet 20 er her innspent mot 0-ringer 23 mellom en annsats 24 i resonansrørets 10 bakre ende, og ved hjelp av et påskrudd endelokk 25 innfestet bøssing 26. Rommet 27 bak membranet 20 er avluftet til atmosfæren gjennom sylindriske stusser 28 på endelokket 25. Disse stussene er dekket med sylindriske kapper 29, hvorved hver og en av stussene med tilhørende kappe danner en labyrintpassasje 30, som tillater fri forbindelse mellom kammeret 2 7 og den omgivende atmosfæren, samtidig som smuss hindres fra å trenge inn i kammeret.

I endelokket 25 er innfestet et rør 31, hvis ytre

ende 32 er anordnet til ég tilsluttes mot trykkviften 18B eller annen trykkgasskilde, mens den i resonansrøret innskjøvne del danner en fritt utragende stuss 33. På denne stussen, som er sluttet i sin indre ende og der er utformet med tverrborringer 34, er den sentralt i membranet 20 innfestede rørsleiden 15 forskyvbart styrt for ved sin kant 35 og regulere forbindelsen mellom trykkgasskilden og resonansrørets 10 indre gjennom borringer 34, som tilsvarer åpningen 19B i figur 2 -4. Funksjonene er de samme i dette tilfellet som i demed henvisning til figur 1 -4 beskrevne utførelsene, men det oppstår en resulterende gasstrøm gjennom resonansrøret, hvilken i visse tilfeller savner betydelse og i andre tilfeller rent kan være ønskverdig. En fjær kan være anordnet på høyre siden av membranet 20, tilsvarende fjæren 21,

men tilbakeføringen av sleiden 15 kan også skje kun gjennom membranets egen fjærvirkning.

Dersom lydgeneratorens resonansrør 10 stikkes inn i

et rom, eksempelvis en panne, hvor det hersker over- eller undertrykk i forhold til den omgivende atmosfærens trykk, oppstår en statisk trykkforskjell over membranet 20, om kammeret 27 er forbundet med den omgivende atmosfæren på det viset som er vist på figur 5. Derved endres membranets likevektstilling, og følgelig også rørsleidens 15 likevektsstilling, og for dette må korri-geringen skje gjennom en tilsvarende endring av rørsleidens stilling. Figur 6 viser en utførelse, ved hvilken en slik korri-gering tilveiebringes. Her er luftehullene i endelokket 25 gjennom stussene 28 og passasjene 30 blitt utelatt, og kammeret

27 er gjennom et rør 36 satt i forbindelse med resonansrørets

10 munning. Derved hersker alltid samme statiske trykk på

begge sider av membranet 20. Ved at røret 36 munner ut i resonansrørets 10 munning, der lydtrykket har en knute, på-virkes ikke trykket i kammeret 2 7 av lydtrykket i resonansrøret, og lydgeneratoren ifølge figur 6 kan derfor uten ulempe tilsluttes til rommet med over- eller undertrykk.

Ved at kammeret 27 i utførelsen ifølge figur 6 ikke har noen direkte forbindelse med den omgivende atmosfæren, uten å kunne betraktes som lukket, danner luftmassen i kammeret 27

en fjær bakom membranet 20, hvorved denne fjærvirkningen adderes til membranets egen fjærvirkning og påvirker det rørlige systemets egenfrekvens. Det er ønskelig å anvende tynt membran i lydgeneratoren ifølge oppfinnelsen, men jo tynnere membranet er, desto lengre blir fjærkonstanten, og om membranet gjøres alt-

for tynt kan fjærkonstanten derved bli for lav i forhold til membranets masse, hvilket gir for lav egenfrekvens. Dessuten er det vanskelig å fremstille tynne membran, som har like stor fjærkonstant ved utfjæringen til den ene henholdsvis den andre retningen. Takket være luftputen i utførelsen ifølge figur 6, kan man anvende et membran med lav fjærkonstant, hvortil kommer at luftputen har samme fjæringsegenskaper uansett om membranet beveger seg utover eller innover. Også om et tynnere membran i og for seg har ulike egenskaper i begge retninger, påvirker dette følgelig ikke lengre fjærkonstanten for systemet i dets helhet like mye, som når luftputene savnes, på grunn av at membranets fjærvirkning kun utgjør en mindre del av den totale fjærvirkningen. Som eksempel kan nevnes at et membran med tykkelsen l,5mm i en praktisk utførelse av lydgeneratoren ifølge figur 5 har en fjærkonstant på ca. 40000 N/m, mens luftputen i kammeret 27 ved utførelsen ifølge figur 6, dersom dette kammeret har et volum på 24 liter, påvirker membranet med en fjærvirkning som tilsvarer en fjærkonstant hos et membran på

ca. 30000 N/m. Om den totale fjærkonstanten skal være ca.

40000 N/m, kommer således membranet selvog måtte bidra bare med en forholdsvis liten del til denne fjærkonstanten.

Figur 6 viser ytterligere en finesse ved lydgeneratoren ifølge oppfinnelsen, nemlig en pneumatisk pulsator 38, som er tilsluttet til kammeret 27. Meningen er at lydgeneratoren, når den anvendes eksempelvis ved feiing av kjeler og prosessapparater, skal være i drift med visse mellomrom, og det kan da inntreffe at rørsleiden 15, når den har stått stille og igjen skal settes i bevegelse på stussen 33, er så tregt bevegelig på denne stuss, spesielt om det er tale om anvendelse av lydgeneratoren i korrosivt miljø, at det svake lydtrykket som oppstår ved trykkluftens passasje ut gjennom den ved tverr-borringene 34 frittlagte sprekker, som er av størrelsen lmm, ikke er tilstrekkelig til å overvinne den hvilefriksjonen som er tilstede hos det bevegelige systemet og sette igang mem-branbevegelsen. Pulsatoren 38 kan da anvendes for start av lydgeneratoren ved at trykkluftstøtene med omtrent samme sekvens som lydgeneratorens grunntone tilføres kammeret 2 7

og får påvirke membranet 20.

Figur 6 viser nærmere utrustningen rundt lydgeneratoren ifølge oppfinnelsen. Trykkluft tilføres fra passende trykkluftkilder ved 39 tildels til en ledning 40 over en magnetventil 41 og tildels til en ledning 42 over en magnetventil 43, hvorved ledningen 40 går til lydgeneratorens mateenhet, og er tilsluttet til enden 32, mens ledningen 42 går til pulsatoren 38. Over magnetventilen 41 er anordnet en strupt shuntforbindelse 44 for senere angitt formål.

Et programverk 45 er tilsluttet til det elektriske nettet ved 46, og de elektriske forbindelsene fra dette programverket er markert ved hjelp av strekede linjer. Det fremgår at programverket er tilsluttet til begge magnetventilene 41

og 43, for å styre tilførselen av trykkluft til lydgeneratoren, henholdsvis pulsatoren. Som nevnt ovenfor drives lydgeneratoren som regel med mellomrom, og med programverket 45 innstilles driftstiden og pausetiden, hvorved ventilen 41 holdes åpen under driftstiden. Under pausetiden, når ventilen 41 er lukket, tilføres en mindre luftmengde til lydgeneratoren gjennom shunt-ledningen 44, og denne reduserende lufttilførselen skjer for å kjøle rørsleiden 15 og membranet 20,og også for å beskytte rørsleiden og stussen 33 fra støv. Dessuten tjener denne luft-tilførselen til å holde membranet 20 i lett bevegelse, hvorved start av lydgeneratoren lettes, slik at lydgeneratoren, som i seg selv er selvstartende, umiddelbart går i gang, når ventilen 41 åpnes, uten at noen starthjelp gis ved hjelp av pulsatoren 38 også om lydgeneratoren skulle anvendes i et korrosivt miljø. Det er fare for at rørsleiden 15 går fast eller skjærer seg, dersom membranet 20 står helt stille i pausetidene. For kontroll av at membranet 20 er i bevegelse, når lydgeneratoren er i drift med ventilen 41 åpen, er i kammeret 27 plassert en sonde 47 for avføling av membranets bevegelse, og om denne sonden ikke føler noen bevegelse hos membranet, tennes et optisk signal 48. Ved hjelp av en i tilslutning til dette signalet anordnet strøm-bryteren 49, kan da pulsatoren 38 innkoples gjennom at magnetventilen 43 åpnes, slik at lydgeneratoren får tilstrekkelig starthjelp.

Ved utførelsen ifølge figur 7, tjener ledningen 40 til tilførsel av trykkluft, ikke bare til selve lydgeneratoren uten også til pulsatoren 38, som ved denne utførelsen til sammen med magnetventilen 4 3 er anbragt i kammeret 27. Ledningen 40 er tilsluttet til en fordeler 50, fra hvilken trykkluften kan tilføres foruten pulsatoren 38 over magnetventilen 43,

også en beholder 51 over en magnetventil 52, hvorved såvel beholderen som magnetventilen er anbragt i kammeret 27..Fra beholderen 51 er anordnet en forbindelse 53 til stussen 33.

Under drift av lydgeneratoren er magnetventilen 52 åpen,og slipper gjennom den trykkluften som tjener til drift av lydgeneratoren, således gjennom beholderen 51, hvorved det oppnås en utjevning av trykkluftens pulsering, slik at mindre dimen-sjoner kan anvendes på ledningen 40 enn den som er tilsluttet direkte til stussen 33.

Beholderen 51 kan tilføres trykkluft fra fordeleren 50 også over en styrbar strupeventil 54 gjennom en forbindelse mellom fordeleren 50 og beholderen 51, som er parallell med forbindelsen over magnetventilen 52. Under pausetidene, når magnetventilen 52 er stengt, holdes membranet 20 og rørsleiden 15 i bevegelse,ved at en strupt lufttilførsel passerer inn i beholderen 51, og fra denne .til stussen 33. Denne anordningen erstatter således shuntforbindelsen 44 ved utførselformen ifølge figur 6.

På figur 7 er det en mateenhet som er en særskildt enhet 10', montert på resonansrøret 10, og samme anordning kan komme på tale også ved utførelsene ifølge figur 5 og 6.

I de beskrevne utførelsesformene er rørsleiden 15 koplet rent mekanisk direkte til membranet 20, men det er også mulig å anordne forbindelsen mellom membranet og rørsleiden ved hjelp av en elektrisk, pneumatisk eller hydraulisk trans-misjon mellom begge disse elementer. Videre kan den her beskrevne mekaniske mateenheten med membran erstattes med en elektro-mekanisk enhet, hvorved eksempelvis en mikrofon er plassert i resonansrørets bakre ende, for å avføle den stående bølges trykkvariasjoner, og en magnetventil som regulerer tilførselen av trykkluft til resonansrøret (henholdsvis evakueringen av dette), styres direkte eller indirekte i takt med den stående bølges trykkvariasjoner via et båndpassfilter.

I de beskrevne utførelsene skjer rørsleidens 15 tilbakegang kun gjennom membranets 20 egen fjærvirkning, eller gjennom denne fjærvirkningen i kombinasjon med luftfjæringen i kammeret 27, men man kan også tenke seg å anordne en mekanisk fjær på høyre siden av membranet 20, tilsvarende fjæren 21 på figur 2-4, slik som ovenfor nevnt.

Et rør danner et enkelt og billig resonansorgan,

men det kan erstattes med andre resonansorganer, som eksempelvis horn eller en Helmholtzresonator.

Claims (16)

1. Lavfrekvenslydgenerator, innbefattende et som lydsender anordnet åpent resonanseorgan (10) for frembringelse av stående gassbårne lydbølger, som gir et varierende gasstrykk i resonanseorganet, og en med bevegelig ventilorgan (15) anordnet mateenhet (13) for ventilregulert tilførsel av en modulert trykkgasstrøm til resonanseorganet, karakterisert ved et som skillevegg i resonanseorganet anordnet frem-og tilbakefjærende bevegelig organ (20), som med hensyn til sin statiske likevektsstilling, i hvilken ventilorganet er delvis åpent, er uavhengig av den tilførte trykkgassens trykk og er forbundet med ventilorganet (15) for tilsammen med dette å danne en bevegelig enhet, hvis egenfrekvens er høyere enn frekvensen for resonanseorganets (10) grunntone, men lavere enn frekvensen for første overtonen, for positiv tilbakekobling av lydtrykket i resonanseorganet til mateenhetens (13) ventilorgan (15) ved kun en forutbestemt frekvens av resonanseorganets resonansefrekvenser.

2. Lavfrekvenslydgenerator ifølge krav 1, karakterisert ved at det frem-og tilbakefjærende bevegelige organet innbefatter et membran (20), som er koplet med det bevegelige ventilorganet (15).

3. Lydgenerator ifølge krav 2,karakterisert ved at membranet (20) er mekanisk, elektrisk, hydraulisk eller pneumatisk koplet til ventilorganet (15).

4. Lydgenerator ifølge noen av kravene 2-3, karakterisert ved at det bevegelige ventilorganet (15) utgjøres av en ventilsleid, som med hensyn til sin stilling er upåvirket av trykkgassen.

5. Lavfrekvensgenerator ifølge krav 4, karakterisert ved at ventilsleiden er hylseformet og er styrt for aksial forskyvning på et rør (33), som strekker seg inn i resonanseorganet (10) og har i det minste en åpning (34) for tilførsel av trykkgass, hvorved denne åpningen blir regulert ved hjelp av sleiden.

6. Lydgenerator ifølge noen av kravene 2-5, karakterisert ved at ventilorganet (15) er anordnet til i membranets (20) hvilestilling, å opprettholde en liten åpning (22) i mateenheten, slik avpasset at ved tilførselen av trykkgass frembringes lyd i resonansorganet (10).

7. Lydgenerator ifølge noen av kravene 2-6, karakterisert ved at i resonansorganet (10) er mellom membranet (20) og en bakom dette anordnet endevegg (25) av-grenset et kammer (27).

8. Lydgenerator ifølge noen av kravene 1-7, karakterisert ved at resonansorganet (10) utgjøres av et resonansrør, som er åpent i sin ene ende, mens mateenheten (13) og tilbakekoplingsanordningen (20) befinner seg i resonansrørets andre ende.

9. Lydgenerator ifølge noen av kravene 1-8, karakterisert ved at resonansorganet utgjøres av en Helmholtzresonator.

10. Lydgenerator ifølge krav 7, karakterisert ved at kammeret (27) kommuniserer med den ytre atmosfæren.

11. Lydgenerator ifølge krav 10, karakterisert ved at kommunikasjonen mellom kammeret (27) og den ytre atmosfæren er anordnet gjennom en eller flere ut-vendige stusser (28) på den bakre endeveggen (25), hvis ytre ender er dekket med kapper (29), som tilsammen med stussene danner en labyrintpassasje (30).

12. Lydgenerator ifølge krav 10, karakterisert ved at kammeret (27) gjennom en ledningsfor-bindelse (36) kommuniserer med resonansrørets (10) åpne ende.

13. Lydgenerator ifølge krav 7, karakterisert ved at til kammeret (27) er tilknyttet en pulsator (38) for frembringelse av trykkgass-støt i kammerne med en frekvens som er hovedsakelig den samme som lydgeneratorens sekvens.

14. Lydgenerator ifølge krav 7, karakterisert ved en sonde (47) for indikering av membranets (20) funk-sjonstilstand av bevegelse eller hvile.

15. Lydgenerator ifølge krav 2, karakterisert ved en beholder (51) i mateenheten for til-førsel av trykkgass til det bevegelige ventilorganet (15) via beholderen.

16. Lydgenerator ifølge krav 2 eller 15, karakterisert ved at mateenheten omfatter en ventilanord-ning (41, 52) for tilførsel av trykkgasstrøra til resonansorganet (10), alternativt direkte eller via en strupeanord-ning (44,54) .