Pierwszenstwo: 18.08.1971 (P. 150077) Zgloszenie ogloszono: 30.05.1973 Opis patentowy opublikowano: 30.09.1974 72046 KI. 42g,l/10 MKP GlOk 11/00 CZYTELNIA Urzedu Pafentowem Twórcy wynalazku: Michal Vogt, Stefan Czarnecki, Mieczyslaw Czecho¬ wicz Uprawniony z patentu tymczasowego: Polska Akademia Nauk Instytut Cybernetyki Stosowanej, Warsza¬ wa (Polska) Sposób selektywnego pochlaniania fal akustycznych Przedmiotem wynalazku jest sposób selektywne¬ go pochlaniania fal akustycznych mogacy miec za¬ stosowanie w dziedzinie zwalczania halasu.Stosowanie rezonatorów akustycznych do celów zwalczania halasu o widmie selektywnym opieralo sie dotychczas na klasycznej teorii ich dzialania opracowanej przez Helmholtza. Zgodnie z ta teoria, dzialanie pochlaniajace rezonatorów akustycznych polega na przemianie energii akustycznej w energie cieplna. Przemiana ta powstaje na wskutek istnienia duzych predkosci akustycznych w waskiej szyjce rezonatora, a wiec przy istnieniu duzego tarcia lep¬ kiego. Chlonnosc akustyczna rezonatora zalezy od stosunku opornosci strat do opornosci promieniowa¬ nia rezonatora i jest najwieksza gdy oMe te opor¬ nosci sa sobie równe. Klasyczna interpretacja po¬ chlaniajacego dzialania rezonatora sprowadza sie wiec do rozpatrywania zjawisk zachodzacych wy¬ lacznie w jego wnetrzu. Z tego tez wzgledu w do¬ tychczas stosowanych rezonansowych ukladach po¬ chlaniajacych uzywano wylacznie rezonatorów Hem- holtza o duzych stratach wewnetrznych, a nie wy¬ korzystywano rezonatorów cwiercfalowych — po¬ siadajacych male straty. Ponadto czesto zwlaszcza w przypadku strojenia rezonatorów na niskie cze¬ stotliwosci stosowano dodatkowo materialy pochla¬ niajace w szyjkach rezonatorów dla zwiekszenia ich strat wewnetrznych. To zas eliminowalo mozliwosc stosowania takich rezonatorów w srodowiskach aktywnych Chemicznie, czy w zbyt wytsokieh tem- 10 15 25 peraturach powodujacych szybkie zniszczenie tych materialów. Ponadto, rezonansowe ustroje pochla¬ niajace konstruowane w oparciu o klasyczna teorie dzialania rezonatorów nie dawaly zwykle calkowi¬ tego pochlaniania .padajacej fali akustycznej (wspól¬ czynnik pochlaniania a=l) lecz osiagaly wartosci wspólczynnika pochlaniania rzedu 0,7 do 0,8.(Wiadomym jest ponadto, ze mechanizm pochlania¬ jacy rezonatorów akustycznych nie ogranicza sie wylacznie do strat powstajacych w ich wnetrzu lecz polega w znacznej mierze na zjawisku kompensacji fazowej powstajacej na zewnatrz rezonatorów. Co wiecej, w przypadku stosowania rezonatorów o ma¬ lych stratach wewnetrznych, a wiec np. rezonato¬ rów cwiercfalowych luib rezonatorów Helmholtza o krótkiej i szerokiej szyjce, dzialanie kompensa¬ cyjne jest wielokrotnie wiejkisze od dzialania absorp¬ cyjnego. Znana metoda kompensacyjna zwalczania halasu polega na tym, ze na istniejace w przestrzeni .pole akustyczne naklada sie drugie takie samo pole lecz przesuniete w fezie o 180°. W wyniku tego na¬ stepuje znoszenie sie obu pól.DiLa zaistnienia calkowitej kompensacji w punkcie musza byt spelnione nastepujace warunki: 1) fala kompensowana i kompensujaca musza po¬ chodzic ze zródel koherentnych, 2) obie fale musza róznic sie w fazie o nieparzy¬ sta wieloJmjtriosc 180°, 3) amplitudy obu fal musza byc identyczne. 7204672046 3 W przypadku (niedokladnego spelnienia warunku 2) lub 3) kompensacja nie jest calkowita. Dla uzy¬ skania calkowitej kompensacji fazowej w calej przestrzeni konieczne jest spemiende -dodatkowego warunku, a imiamawkie: 4) obie fale musza rozchodzic sie dokladnie w tym samym kierunku.Ten warunek bardzo komplikuje zagadnienie praktycznego stosowania kompensacji do celów zwalczania halasu. Spelnienie tego warunku wyma¬ ga umieszczenia zródla fali kompensujacej w tym samym miejscu gdzie znajduje sie zródlo pierwot¬ ne. Z uwagi na duze, w porównaniu z dlugoscia fali, wymiary rzeczywistych jest to niemozliwe do zre¬ alizowania i w praktyce otrzymuje sie pole inter¬ ferencyjne.Dotychczas wszelkie próby stosowania metody kompensacji do celów zwalczania halasu opieraly sie na wykorzystaniu urzadzen elektroakustycznych.Metoda t&, oprócz w/w wad, miala jeszcze te, ze sygnal pobierany z pola akustycznego mial jedy¬ nie charakter informacyjny i sluzyl do sterowania nowego, solnego zródla dzwieku /w celu uzyskania fali koherentnej]. Tak wiec do przestrzeni, gdzie miala zachodzic kompensacja, doprowadzano dodat¬ kowo taka sama moc akustyczna jaka posiadala fa¬ la pierwotna. Poniewaz uzyskiwano jedynie zjawi¬ sko interferencji, wiec obnizenie /poziomu dzwieku w jednym obszarze odbywalo sie kosztem podwyz¬ szenia poziomu dzwieku w innych miejscach.Zupelnie nowe perspektywy w dziedzinie zwal¬ czania halasu metoda kompensacji stwarza wyko¬ rzystanie do tych celów akustycznych ukladów re¬ zonansowych. Podstawowa zaleta /tych ukladów jest to, ze nie dostarczaja one zadnej dodatkowej ener¬ gii do obszaru kompensacji lecz wykorzystuja do celów kompensacji czesc energii -pobrana z pola akustycznego. Ponadto z uwagi na ich male wy¬ miary poprzeczne, w porównaniu z dlugoscia fali, pozwalaja na lepsze spelnienie warunku czwartego, a co za tym idzie, na zwiekszenie obszaru kompen¬ sacji. Zasadnicza ich wada, w odniesieniu do celów zwalczania halasu, jest to, ze posiadaja dzialania wybitnie selektywne, co ogranicza ich zastosowanie tylko do pewnej klasy przypadków.Celem wynalazku jest opracowanie nowego spo¬ sobu selektywnego pochlaniania dzwieku, pozwala¬ jacego na uzyskiwanie bardzo duzego wspólczyn¬ nika pochlaniania ukladu rezonansowego, bez za¬ stosowania materialów absorpcyjnych.Cel ten osiagnieto przez wykorzystanie metody kompensacyjnej z wykorzystaniem rezonatorów akustycznych.Istota wynalazku polega na tym, ze rezonatory akustyczne osadza sie przesuwnie w otworach w plycie odbijajacej fale akustyczne z zachowaniem takiej odleglosci miedzy nimi, ze cisnienie akustycz¬ ne fali promieniowanej przez rezonatory jest rów¬ ne lub wieksze niz cisnienie akustyczne fali odbitej od plyty odbijajacej. Nastepnie odsitraja sie rezo¬ natory od czestotliwosci rezonansowej az do zrów¬ nania amplitudy cisnienia akustycznego fali pro¬ mieniowanej przez rezonatory z amplituda cisnie¬ nia akustycznego fali odbitej od plyty, po czym imienia sie odleglosc miedzy powierzchnia plyty a wylotami rezonatorów przez wysuniecie rezonato¬ rów z otworów w plycie na tyle alby faza fali pro¬ mieniowanej przez rezonatory byla przeciwna do fali odbitej od plyty odbijajacej. Sposób seiefctyw- 5 nego pochlaniania fal akustycznych wedlug wyna¬ lazku pozwala na konstruowanie rezonansowych ukladów pochlaniajacych posiadajacych zblizony do jednosci wspólczynnik pochlaniania. Zaleta tych ukladów jest to, ze nie wymagaja one stosowania 10 zadnych porowatych materialów absorpcyjnych, co sprawia, ze mozna je stosowac w srodowiskach aktywnych chemiczne, w miejscach narazonych na dzialanie wysokich temperatur i w obecnosci me¬ diów poruszajacych sie z bardzo duzymi predkos- 15 ciami.Stosowanie tych ukladów w obecnosci wysokich temperatur lub przy przeplywach z duzymi pred¬ kosciami wymaga wprowadzenia -poprawek na wy¬ miary rezonatorów z uwagi na zmienione paranie- 20 try osrodka.Dodatkowa zaleta tego sposobu jest wyjaUkowa przydatnosc zastosowania w nim rezonatorów cha¬ rakteryzujacych sie znacznie prostsza konstrukcja niz rezonatory Helmholtza. 25 Ponizej omówiony jest bardziej szczególowo przedmiot wynalazku.Rezonator akustyczny umieszczony w polu aku¬ stycznym zostaje pobudzony do drgan. Wielkosc pobudzania* a co za tym idzie ilosc przechwytywa- 30 nej z pola akustycznego i wypromieniowanej przez Tezonator energii zalezy od dostrojenia rezonatora do czestotliwosci pobudzajacej. W przypadku pobu¬ dzania rezonatora na jego czestotliwosci rezonanso¬ wej pobiera on z pola, a nastepnie wypromieniowu- 35 je maksimum energii przy czym fala wypromienio- wywana przez rezonator posiada faze ,przeciwna w stosunku do fali padajacej na rezonator. W przy¬ padku zmiany czestotliwosci pobudzajacej albo w przypadku odstrajania rezonatora od stalej czesto- 40 tliwosci pobudzajacej cisnienie fali wypromienio- wywanej przez rezonator maleje wg krzywej rezo¬ nansowej, a jednoczesnie zmienia sie przesuniecie fazy pomiedzy Ma padajaca na rezonator a fala promieniowana przez niego. To zjawisko wykorzy- 45 stywane jest do spelniania warunku amplitudy i fa¬ zy w wynalazku.Sposób selektywnego pochlaniania fal akustycz¬ nych wykorzystuje zjawisko kompensowania sie fal promieniowanych przez zespól rezonatorów aku- 50 stycznych umieszczonych w plycie odbijajacej z fa¬ lami odbitymi od tej plyty. Calkowite pochlanianie fali akustycznej przez taki uklad uzyskuje sie wte¬ dy, gdy nastapi calkowita kompensacja fal odbitych od plyty z falami promieniowanymi przez rezonato- 55 ry. Dla uzyskania calkowitej kompensacji koniecz¬ ne jest spelnienie warunków identycznosci ampli¬ tud obu fal i rozchodzenia sie obu fal dokladnie w tym samym kierunku. Spelnienie warunku fazy i amplitudy uzyskuje sie przez odpowiednie umie- 80 szczenie rezonatorów w plycie.Dla spelnienia warunku amplitudy rezonatory rozmieszcza sie w plycie w takich odleglosciach miedzy soba aby cisnienie fali promieniowanej przez rezonatory bylo wieksze albo równe cisnieniu fali 65 odbitej od plyty. Dla stwierdzenia, które z cisnien72046 6 jest wieksze poczatkowo zamocowuje sie rezonato¬ ry tak, aby ach otwory znajdowaly sie w plaszczyz¬ nie plyty odbijajacej. Pomiar odleglosci wezlów lub strzalek od plyty w powstalej miedzy plyta a zród¬ lem dzwieku fali stojacej pozwoli ocenic, która fala — promieniowana czy odlbiita — jest wieksza.W przypadku gdy przewaza fala odbita od plyty, zmniejsza sie wzajemne odleglosci miedzy rezona¬ torami.Po stwierdzeniu, ze w fali powracajacej od ukla¬ du przewaza faffla promieniowana, odstraja sie re¬ zonatory od czestotliwosci fali padajacej tak aby uzyskac równosc aimlplfitud cisnien fali odbitej od plyty i fali promieniowanej przez rezonatory.Moment zrównania obu amplitud stwierdza sie przez pomiar fali powracajacej od ukladu plyty z rezonatorami. W momencie zrównania sie obu amplitud fala ta przyjmuje wartosc minimalna i nastepuje skokowa zamiana miejsc strzalek i wez¬ lów w fali stojacej powstalej miedzy ukladem a zró¬ dlem dzwieku.Równoczesnie ze zmiana cisnienia fali promienio¬ wanej przez rezonatory przy ich odstrajamiiu, zmie¬ nia sie róznica fazy miedzy fala promieniowana a fala odbita od plyty.Dla spelnienia warunku fazy wysnwa sie rezo¬ natory z plyty na taka odleglosc alby zniwelowac przesuniecie fazowe powstale na skutek odstrojenia rezonatorów. Spelnienie warunku fazy stwierdza sie przez pomiar fali powracajacej od ukladu. W mo¬ mencie dokladnego spelnienia warunku fazy fala .powracajaca powinna zanikac zupelnie. 5 W przypadku gdyby fala ta nie znikala ziupelnie wysuwa sie rezonatory aby otrzymac minimalna wartosc tej fali, a nastepnie .powtarza sie czynnosci majace na celu spelnienie warunku amplitudy. 10 PL PL